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ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE UNA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO
FLEXIBLE EN UNA VÍA DE TRAFICO PESADO, CASO PARTICULAR VÍA
URBANA EN LA CIUDAD DE BOGOTÁ BARRIO SANTA CATALINA
CASTAÑEDA ORJUELA YIZEL ANDREA
SALAMANCA QUIROGA CRISTIAN FERNANDO
UNIVERSIDAD LA GRAN COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL
BOGOTÁ D.C
2016
ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE UNA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO
FLEXIBLE EN UNA VÍA DE TRAFICO PESADO, CASO PARTICULAR VÍA
URBANA EN LA CIUDAD DE BOGOTÁ BARRIO SANTA CATALINA
CASTAÑEDA ORJUELA YIZEL ANDREA
SALAMANCA QUIROGA CRISTIAN FERNANDO
Trabajo de grado como opción parcial para optar al título de Ingeniero Civil
ING. MARTIN ERNESTO RIASCOS CAIPE
Asesor Disciplinar
LIC. LAURA MILENA CALA CRISTANCHO
Asesora Metodológica
UNIVERSIDAD LA GRAN COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL
BOGOTÁ D.C
2016
CONTENIDO
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................. 16
1.1 PREGUNTA .............................................................................................. 17
2 JUSTIFICACIÓN ............................................................................................. 18
3 OBJETIVOS.................................................................................................... 19
3.1 OBJETIVO GENERAL .............................................................................. 19
3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ..................................................................... 19
4 ANTECEDENTES ........................................................................................... 20
5 MARCO DE REFERENCIA ............................................................................ 22
5.1 MARCO CONCEPTUAL ........................................................................... 22
5.1.1 Volumen de tránsito ........................................................................... 22
5.1.2 Factor camión .................................................................................... 24
5.1.3 Número de ejes equivalentes ............................................................. 25
5.1.4 Ensayos para definir resistencia del subsuelo ................................... 29
5.1.5 Formula IVANOV ................................................................................ 35
5.1.6 Parámetros para diseño con el método SHELL ................................. 36
5.1.7 Parámetros para diseño con el método AASHTO .............................. 43
5.1.8 Esfuerzos, deformaciones y deflexiones admisibles para estructuras
de pavimento flexible. ..................................................................................... 52
5.2 MARCO GEOGRÁFICO ........................................................................... 55
5.2.1 Marco Demográfico ............................................................................ 57
5.3 MARCO LEGAL ........................................................................................ 59
6 DISEÑO METODOLÓGICO ........................................................................... 60
6.1 ENFOQUE DE INVESTIGACIÓN ............................................................. 60
6.2 TIPO DE INVESTIGACIÓN ...................................................................... 60
6.3 DISEÑO MUESTRAL................................................................................ 60
6.3.1 Población ........................................................................................... 60
6.3.2 Muestra y tipo de muestreo ................................................................ 60
6.4 FASES DE LA INVESTIGACIÓN .............................................................. 61
6.5 INSTRUMENTOS Y TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE INFORMACIÓN
61
6.6 ensayos in situ y laboratorio ..................................................................... 62
7 DISCUSIÓN DE RESULTADOS ..................................................................... 64
7.1 CARACTERIZACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DEL SUELO
64
7.1.1 Ensayo CBR ....................................................................................... 64
7.1.2 Mejoramiento de la subrasante .......................................................... 66
7.2 CARGA VEHICULAR................................................................................ 67
7.2.1 Cálculo de Tránsito ............................................................................ 67
7.2.2 Aforos vehiculares .............................................................................. 67
7.2.3 Cálculo factor camión ......................................................................... 69
7.2.4 Número de ejes equivalentes ............................................................. 70
7.3 EVALUACIÓN DEL DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO
BAJO EL MÉTO SHELL Y AASTHO .................................................................. 72
7.3.1 Método de Shell ................................................................................. 72
7.3.2 Aplicación del método Shell ............................................................... 73
7.3.3 Determinación del stiffness de la mezcla asfáltica. ............................ 78
7.3.4 Determinar si la mezcla es del tipo S1 o S2 ....................................... 79
7.3.5 Identificación del código total de la mezcla. ....................................... 82
7.3.6 Diseño Estructural .............................................................................. 83
7.3.7 Empleo de las gráficas de diseño ...................................................... 83
7.4 MÉTODO de aashto ................................................................................. 86
7.4.1 Características de la rigidez de las capas .......................................... 86
7.4.2 Coeficientes estructurales de las capas ............................................. 90
7.4.3 Condiciones de drenaje ...................................................................... 93
7.4.4 Determinación del número estructural ................................................ 94
7.4.5 Chequeo del número estructural ........................................................ 94
7.5 ESFUERZOS, DEFORMACIONES Y DEFLEXIONES ADMISIBLES para
estructuras de pavimento flexible. ...................................................................... 97
7.5.1 Esfuerzos, deformación y deflexión admisibles de la estructura
diseñada por el método Shell ......................................................................... 98
7.5.2 Esfuerzos, deformación y deflexión admisibles de la estructura
diseñada por el método AASHTO ................................................................. 104
7.6 Comparacion Esfuerzos, deformación y deflexión admisibles de la
estructura diseñada por el método AASHTO y Shell ........................................ 108
7.7 PRESUPUESTO ..................................................................................... 114
8 CONCLUSIONES ......................................................................................... 119
9 RECOMENDACIONES ................................................................................. 121
ÍNDICE DE ILUSTRACIONES
Ilustración 1 Tabla de factores de equivalencia MOPT-UNIVERSIDAD DEL
CAUCA .................................................................................................................. 25
Ilustración 2. Elementos para determinar CBR ...................................................... 31
Ilustración 3 Montaje de muestra para penetración ............................................... 34
Ilustración 4. Estructura Tricapa ............................................................................ 38
Ilustración 5 Factor de Ponderación. ..................................................................... 39
Ilustración 6 Determinación de T800 e IP .............................................................. 41
Ilustración 7 Nomograma de VAN DER POEL para determinar el módulo dinámico
del asfalto .............................................................................................................. 42
Ilustración 8 Grafica para hallar a1 en función del módulo resiliente del concreto
asfáltico. ................................................................................................................. 47
Ilustración 9 Variación de coeficiente a2 con diferentes parámetros de resistencia
de la base granular. ............................................................................................... 48
Ilustración 10 Variación de coeficiente a3 con diferentes parámetros de resistencia
de la subbase granular. ......................................................................................... 48
Ilustración 11 Localización general de Bogotá y localidad de Kennedy ................. 55
Ilustración 12. Localización del proyecto ............................................................... 56
Ilustración 13 Movimientos aforo ........................................................................... 67
Ilustración 14. Grafica Factor de ponderación- MMAT ........................................... 74
Ilustración 15. Nomograma para calcular el índice de penetración y la temperatura
T800. ...................................................................................................................... 76
Ilustración 16 Nomograma de Van Der Poel para determinar el modulo dinámico
(Stiffness) del asfalto. ............................................................................................ 78
Ilustración 17. Nomograma para el cálculo del módulo dinámico (Stiffness) de las
mezclas asfálticas .................................................................................................. 79
Ilustración 18 Relaciones entre la rigidez de la mezcla y la rigidez del asfalto. ..... 79
Ilustración 19 Nomograma de fatiga basado en Smix y Vb ................................... 80
Ilustración 20 Características de fatiga para asfalto tipo F1 y para asfalto tipo F2 81
Ilustración 21 Carta HN49 ...................................................................................... 84
Ilustración 22 Nomograma de Van der Poel para determinar el módulo de rigidez
del asfalto .............................................................................................................. 87
Ilustración 23 Nomograma para el cálculo del módulo dinámico de mezclas
asfálticas ................................................................................................................ 88
Ilustración 24 Carta M-1: Clasificación de la rigidez de la mezcla en función de la
rigidez de la mezcla y el asfalto ............................................................................. 89
Ilustración 25 Grafica para hallar a1 en función del módulo resiliente del concreto
asfáltico. ................................................................................................................. 90
Ilustración 26 Variación de coeficiente a2 en bases tratadas con asfalto para
diferentes parámetros de resistencia. .................................................................... 91
Ilustración 27 Variación de coeficiente a2 con diferentes parámetros de resistencia
de la base granular. ............................................................................................... 92
Ilustración 28 Variación de coeficiente a4 con diferentes parámetros de resistencia
de la subbase granular. ......................................................................................... 93
Ilustración 29 Programa Ecuación AASHTO 93..................................................... 95
Ilustración 30 Programa PAS5 ................................. ¡Error! Marcador no definido.
Ilustración 31 .Datos entrada Estructura propuesta. ............................................ 100
Ilustración 32 . Datos calculados ......................................................................... 100
Ilustración 33 Datos entrada Estructura propuesta. ............................................. 101
Ilustración 34 Datos calculados ........................................................................... 102
Ilustración 35 . Datos entrada Estructura propuesta. ........................................... 106
Ilustración 36 Datos calculados ........................................................................... 107
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1 Representación esquemática de los vehículos de transporte de carga más
comunes en el país ................................................................................................ 26
Tabla 2 Esquematización de los diferentes tipos de ejes y su carga máxima ....... 26
Tabla 3 Fórmulas simplificadas .............................................................................. 27
Tabla 4 Periodos de diseño en función del tipo de carretera ................................. 27
Tabla 5 Factor de distribución por carril ................................................................. 29
Tabla 6 Categorías de tránsito ............................................................................... 43
Tabla 7 Correspondencia entre capas granulares, el tipo de pavimento y las
categorías de tránsito ............................................................................................ 44
Tabla 8. Requisitos de los agregados para bases granulares ............................... 45
Tabla 9 Requisitos de los agregados para subbases granulares........................... 46
Tabla 10 Diferentes niveles de drenaje de la estructura de pavimento .................. 49
Tabla 11 Valores mi recomendados para modificar los coeficientes de capas de
base y subase granulares. ..................................................................................... 49
Tabla 12 Niveles de confiabilidad sugeridos para el diseño de carreteras ............ 50
Tabla 13. Composición de población por edad y sexo. Localidad Kennedy, ......... 57
Tabla 14 Composición de normas y aplicación al proyecto ................................... 59
Tabla 15. Fases de la investigación ....................................................................... 61
Tabla 16. Apique 1 muestra analizada antes de la inmersión ................................ 64
Tabla 17. Apique 1 muestra analizada después de la inmersión ........................... 64
Tabla 18. Apique 2 muestra analizada antes de la inmersión ................................ 65
Tabla 19. Apique 2 muestra analizada después de la inmersión ........................... 65
Tabla 20 Cálculos para mejoramiento de la subrasante según la fórmula de
IVANOV ................................................................................................................. 66
Tabla 21 Distribución de Camiones ....................................................................... 70
Tabla 22 Cálculos del factor Camión .................................................................... 70
Tabla 23 TPD y cargas de los vehículos ................................................................ 71
Tabla 24 Temperatura promedio registrada en Bogota año 2015.......................... 73
Tabla 25 Calculo de factor de ponderación. .......................................................... 75
Tabla 26 Propuestas de alternativas de capas método Shell ................................ 84
Tabla 27 Estructura de pavimento diseñada a partir del método SHELL Alternativa
1 ............................................................................................................................. 85
Tabla 28 Estructura de pavimento diseñada a partir del método SHELL Alternativa
1 ............................................................................................................................. 85
Tabla 29. Base y Subbase granular ....................................................................... 90
Tabla 30 Resumen de diseño de pavimentos AASHTO ........................................ 95
Tabla 31 Estructura de pavimento diseñada a partir del método AASHTO
Alternativa 3 ........................................................................................................... 96
Tabla 32 Esfuerzos, deformación y deflexión admisibles para el diseño por el
método Shell .......................................................................................................... 98
Tabla 33 Esfuerzos, deformación y deflexión de la estructura diseñada por el
método Shell. ......................................................................................................... 98
Tabla 34 Datos de interfase entre las capas Alternativa 1 ..................................... 99
Tabla 35 Datos de interfase entre las capas Alternativa 2 ................................... 101
Tabla 36 Porcentaje de solicitaciones de la estructura diseñada por el método
Shell ..................................................................................................................... 103
Tabla 37 Esfuerzos, deformación y deflexión admisibles para el diseño por el
método AASTHO. ................................................................................................ 104
Tabla 38 Esfuerzos, deformación y deflexión de la estructura diseñada por el
método Shell. ....................................................................................................... 105
Tabla 39 Datos de interfase entre las capas Alternativa 3 ................................... 106
Tabla 40 Porcentaje de solicitaciones de la estructura diseñada por el método
AASHTO .............................................................................................................. 108
Tabla 41 Esfuerzos, deformación y deflexión admisibles para el diseño por el
método SHELL Y AASTHO ................................................................................. 109
Tabla 42 Comparación de valores de presupuestos ............................................ 118
ÍNDICE DE GRÁFICAS
Gráfica 1 Volúmenes vehicular periodo de 30 minutos valores totales. ................. 68
Gráfica 2 Volúmenes vehiculares horaria Movimiento 1 total accesos. ................. 69
Gráfica 3. Deformación radial admisible de tracción en la base de la capa asfáltica
............................................................................................................................. 110
Gráfica 4. Deformación vertical admisible de compresión sobre la subrasante ... 111
Gráfica 5. Esfuerzo vertical admisible de compresión sobre la subrasante ......... 112
Gráfica 6. Deflexión admisible en la superficie de la estructura de pavimento .... 113
Gráfica 7 Comparación de alternativas según el valor del presupuesto .............. 118
ÍNDICE DE ANEXOS
ANEXO 1 RESULTADOS DE ENSAYOS DE CBR ............................................. 124
ANEXO 2 AFOROS, FACTOR CAMIÓN Y TPD .................................................. 125
ANEXO 3 NUMERO DE EJES EQUIVALENTES ................................................ 126
ANEXO 4 FORMULA DE IVANOV ...................................................................... 127
ANEXO 5 DISEÑO DE AASHTO ......................................................................... 128
15
TÍTULO
Análisis del comportamiento de una estructura de pavimento flexible en una vía de
tráfico pesado, caso particular vía urbana en la ciudad de Bogotá barrio Santa
Catalina
LÍNEA DE INVESTIGACIÓN
La línea de investigación apropiada para el proyecto es Geotecnia
SUB LÍNEA DE INVESTIGACIÓN
La sub línea que mejor se acopla al trabajo es la de pavimentos
SEMILLERO DE INVESTIGACIÓN
El semillero de investigación tiene por nombre SIGUC – II.
INVESTIGADORES
Yizel Andrea Castañeda Orjuela
Cristian Fernando Salamanca Quiroga
ASESORES
Disciplinar: Ing. Martin Ernesto Riascos Caipe _______________________
Metodológico: Lic. Laura Milena Cala Cristancho _______________________
Director de área: Ing. Christian Gutiérrez _______________________
16
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La estructura de pavimento flexible es una de las más utilizadas en los diferentes
proyectos que se implementa en la ciudad de Bogotá, sin embargo, no se tiene en
cuenta el periodo de servicio al cual estará expuesta la vía, esto obedece
principalmente a la circulación de vehículos pesados a baja velocidad la cual
afecta las estructuras que se proyectan para un periodo determinado, por lo tanto,
su vida útil se ve reducida por los efectos de dicho tránsito que conforma
aproximadamente el 20% del parque automotor colombiano de acuerdo con el
Ministerio de Transporte1.
En Colombia estos vehículos prestan un servicio de carga para el transporte de
mercancías y productos a nivel nacional, de ellos, gran parte tienen como principal
punto de destino la ciudad de Bogotá, por ello, se evidencia la necesidad de
investigar el periodo de diseño al que se proyecta actualmente las vías bogotanas,
dado que algunas no están cumpliendo con los parámetros requeridos por la
norma del INVIAS, por lo tanto, se presentan fallas en el pavimento por diferentes
causas las cuales afectan la movilidad de la ciudad.
Para la ciudad de Bogotá estas estructuras presentan condiciones de deterioro por
el efecto de este tipo de vehículos que transitan regularmente sobre ella, debido a
que por condiciones particulares como la cantidad y tipo de vehículos que se
proyectaron, se incrementaron de forma aleatoria a razón de algunas condiciones
específicas de la zona que posiblemente no se evaluaron de forma inicial.
Estas afectaciones pueden presentarse posiblemente por diseños deficientes o
materiales de baja calidad para su construcción. Sin embargo, una de las
principales variables en diseño que afecta su servicio es el factor camión;
básicamente esta variable es la que establece una cantidad considerable de
especificaciones en la vía, es decir, sobre la cual se establece detalles de la
estructura.
Dada las diferentes condiciones que se pueden presentar en el desarrollo de una
estructura de pavimento, actualmente se efectúa el estudio y análisis de la zona
1 MINISTERIO DE LA REPUBLICA. Parque Automotor de transporte de carga en Colombia.
Informe de la subdirección operativa de transporte automotor. Bogotá, 2000.
17
con el objeto de evidenciar las diferentes afectaciones que presenta la comunidad
del barrio Santa Catalina.
Actualmente el sector en estudio es un punto de tránsito de vehículos
principalmente de carga, los cuales ingresan por el occidente de Bogotá y
concurren a este sitio dado que allí se encuentran talleres mecánicos
especializados para este tipo de automotores. Además de ello, las condiciones de
la vía se prestan para improvisar puntos de taller y parqueo de los mismos, que
genera condiciones de inseguridad dado que es innumerable el número de
vehículos que allí se encuentran e impiden que las autoridades tengan control de
la zona, por el tamaño de los vehículos y porque generan puntos que se prestan
para la delincuencia y el hurto de los habitantes del sector.
En la actualidad la vía no cuenta con una estructura de pavimento, debido a que
se tiene una estructura de afirmado en condiciones medias, es decir, no posee
una carpeta asfáltica, ni estructura de pavimento, tan solo presenta material tipo
recebo, que funciona en condiciones óptimas para el tránsito de vehículos livianos,
no obstante, con el paso del tiempo y el tránsito de vehículos pesados, el afirmado
ha sufrido daños internos ocasionando que se generen baches sobre la vía lo que
ocasiona embotellamientos, daños a los vehículos y accidentes.
En la zona de estudio se presenta liberación de partículas producidas por la no
firmeza del terreno. Probablemente esta puede ser una de las causas para
generar enfermedades respiratorias en los habitantes del sector, igualmente se
evidencia que en temporadas de lluvia la acumulación de polvo genera
taponamientos en las alcantarillas aledañas generando problemas de inundación
en algunas calles.
Debido a que en la actualidad se presentan problemas de deformaciones en las
vías principales de la ciudad de Bogotá, esta investigación se enfoca en analizar
un diseño que sea optimo en cuanto a problemas asociados a la carga que
ejercen los vehículos comerciales, para evitar problemas de ahuellamiento.
1.1 PREGUNTA
¿Cuál es el comportamiento ante la deflexión y deformación de una estructura de
pavimento flexible en una vía de tráfico pesado, caso particular vía urbana en la
ciudad de Bogotá barrio Santa Catalina?
18
2 JUSTIFICACIÓN
En la ciudad de Bogotá, actualmente se evidencia el deterioro temprano de
algunas estructuras de pavimento, esto como resultado de la falta de un riguroso
acompañamiento a los contratistas en el proceso de diseño o construcción por
parte de los entes de control. Se generará un análisis sobre la afectación de los
vehículos de carga en el barrio Santa Catalina, analizando los efectos de carga
pesada sobre la estructura de pavimento lo cual servirá para generar una
alternativa de diseño de pavimento para la zona de estudio en la ciudad de
Bogotá.
Esta alternativa de solución buscará plantear un diseño de pavimento flexible
mediante las metodologías de SHELL y AASHTO que sea acorde a las
características propias del suelo de estudio, debido a que en los últimos años esta
zona presenta problemas sociales y de tránsito, dado que a lo largo de su
composición vial se encuentran talleres especializados en vehículos de carga, por
lo que el estado de la vía presenta dificultad de acceso, así como la liberación de
material particulado generando problemas de salubridad en la zona.
Esta investigación busca presentar un análisis y chequeo del comportamiento de
una estructura de pavimento mediante los métodos SHELL y AASHTO ,evaluando
deformaciones y deflexiones. Esto como solución para la situación y condiciones
anteriormente señaladas, dados los conocimientos previamente adquiridos se
realizarán los estudios técnicos y aplicación de los métodos utilizados bajo la
normatividad para poder presentar alternativas que sean ajustables al presupuesto
y realización.
19
3 OBJETIVOS
3.1 OBJETIVO GENERAL
Analizar el comportamiento de una estructura de pavimento flexible en una vía de
tráfico pesado, caso particular vía urbana en la ciudad de Bogotá barrió Santa
Catalina.
3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Caracterizar las propiedades mecánicas de un suelo tipo Aluvial 200 en la
subrasante teniendo en cuenta los vehículos de carga pesada.
Determinar el comportamiento del tráfico pesado calculando el número de
ejes equivalentes que transitan sobre la vía de estudio.
Realizar el chequeo de los esfuerzos y deformaciones generados en una
estructura de pavimento flexible diseñado bajo el método de AASHTO y
Shell.
20
4 ANTECEDENTES
Varios expertos a nivel nacional y local han desarrollado investigaciones
encaminadas a estudiar el daño producido a los pavimentos a partir de la
Evaluación de factores camión de los vehículos comerciales de carga que circulan
por la red vial.
En Colombia se desarrolló un estudio en el que se analizaron 38 operativos de
pesaje a través de un aforo para determinar la cantidad de vehículos que pasan
por los diferentes departamentos seleccionados. En el estudio se menciona que:
Cada operativo de pesaje se llevó a cabo durante 7 días calendario, con una
intensidad de 24 horas por día, donde se pesaron de forma estática todos los
ejes de los camiones que circulaban en un solo sentido. A partir de los
operativos realizados se obtuvo una muestra de 59.622 camiones pesados,
correspondientes a 151.736 ejes de distintas configuraciones de camiones
entre los distintos departamentos del país. 2
Cabe resaltar que uno de los aspectos más relevantes en el análisis y
diseño estructural de pavimentos, es obtener datos reales y actualizados del
factor camión. En la actualidad los factores reportados por INVIAS son
utilizados frecuentemente en el análisis de cargas de tránsito para el diseño.
Los resultados obtenidos permitieron concluir que departamentos que
poseen una alta frecuencia de sanciones por violación de los límites
máximos de carga tienden a exhibir factores camión elevado. Por ejemplo,
los altos valores de factor camión calculados para las vías analizadas en el
departamento, coinciden con la alta frecuencia de sanciones 61% del total
aplicado por efectos de sobrecarga en los departamentos.3
Para la zona de estudio, la ciudad de Bogotá cuenta con evaluaciones
previas de las principales vías, el cual reporta el número de vehículos de
2 MACEA, Luis F; FUENTES, Luis G y ALVAREZ, Allex E. Evaluación de factores camión. de los
vehículos comerciales de carga que circulan por la red vial principal colombiana. Marzo, 2013. En: Rev. Fac. Ing. Univ. Antioquia N.° 66 pp. 57-69.
3 INVIAS. Guía Metodológica para el Diseño de Obras de Rehabilitación de Pavimentos Asfálticos
de Carretera. Bogotá, Colombia. 2008. pp. 57, 62.
21
carga que circulan y son esenciales para no exceder los límites inicialmente
estimados en sus diseños, lo anterior, permite minimizar la incertidumbre
optimizando los procesos de diseño de pavimentos y la gestión de estos
para su conservación.
Dentro del análisis que se va desarrollar es importante contar con
información en campo y posterior análisis de los espectros de carga. A nivel
de estudio local se cuenta con datos de factores de daño de vehículos que
transitan por las vías principales4.
Como dato de estudio se cuenta con el sondeo que realizó la Alcaldía de
Kennedy identificando la zona como un tramo de malla vial local-intermedia
donde:
El Instituto de Desarrollo Urbano IDU, realizó en 2000 un inventario vial de
las doce localidades de Bogotá. En este estudio se encontró que según el
índice de fallas que es obtenido de la ponderación por severidad y extensión
de los daños, el 60,2% de las vías de la localidad se encontraba en buen
estado, el 20,5% en estado regular y sólo el 2,4% en muy mal estado.5
4 MURGUEITIO A., BENAVIDES C., SOLANO E. Estudio de los Factores dado de los Vehículos
que circulan por las Carreteras Colombianas. En: XI Simposio Colombiano sobre Ingeniería de Pavimentos. Cartagena D. T. y C. pp. 332-342. 1997.
5 ALCALDÍA LOCAL DE KENNEDY .Economía Regional y Social. Actualización del diagnóstico
social de la localidad de Kennedy. Bogotá. 2001.
22
5 MARCO DE REFERENCIA
5.1 MARCO CONCEPTUAL
En este capítulo se presentan los conceptos utilizados para la realización del
presente informe:
5.1.1 Volumen de tránsito
Es el número de vehículos que pasan por un punto o sección transversal dados,
de un carril o de una calzada, durante un periodo determinado. Como se expresa
a continuación:
Ecuación 1
Dónde:
Q = Vehículos que pasan por unidad de tiempo (Vehículos / periodo).
N = Número total de vehículos que pasan (vehículos)
T = Período determinado (unidades de tiempo)
5.1.1.1 Volúmenes de tránsito absolutos o totales
Es el número total de vehículos que pasan durante un lapso de tiempo
determinado, dependiendo de la duración se tienen los siguientes volúmenes de
tránsito totales o absolutos 6:
Tránsito anual (TA): Es el número total de vehículos que pasan durante un
año, en este caso T = 1 año.
Tránsito mensual (TM): Es el número total de vehículos que pasan durante
un mes, en este caso T = 1 mes.
Tránsito semanal (TS): Es el número total de vehículos que pasan durante
una semana, en este caso T = 1 semana.
6 CORDOBA MAQUILON, Jorge Eliecer. Metodología métodos de tránsito, Volúmenes de tránsito.[
citado 06 Mar., 2016] Disponible en: http://es.slideshare.net/marco11390/volumen-de-tránsito
23
Tránsito diario (TD): Es el número total de vehículos que pasan durante un
día, en este caso T = 1 día.
Tránsito horario (TH): Es el número total de vehículos que pasan durante
una hora, en este caso T = 1 hora.
Tasa de flujo o flujo (q): Es el número total de vehículos que pasan durante
un período inferior a una hora, en este caso T < 1 hora.
5.1.1.2 Volúmenes de tránsito promedio diarios.
Se define el volumen de tránsito promedio diario (TPD), como el número total de
vehículos que pasan durante un periodo dado (en días completos) igual o menor a
un año y mayor que un día, dividido entre el número de días del periodo.
De acuerdo al número de días de este período, se presentan los siguientes
volúmenes de tránsito promedio diario, dado en vehículos por día:
Tránsito promedio diario anual (TPDA)
Ecuación 2
Tránsito promedio diario mensual (TPDM):
Ecuación 3
Tránsito promedio diario semanal (TPDS)
Ecuación 4
5.1.1.3 Características de los volúmenes de tránsito
Los volúmenes de tránsito siempre deben ser considerados como dinámicos, por
lo que solamente son precisos para el periodo de duración de los aforos, sin
embargo, debido a que sus variaciones son generalmente rítmicas y repetitivas, es
importante tener un conocimiento de sus características, para así programar
aforos, relacionar volúmenes en un tiempo y lugar, volúmenes de otro tiempo y
lugar y prever con la debida anticipación la actuación de las fuerzas dedicadas al
control del tránsito y labor preventiva, así como las de conservación.
24
Por lo tanto, es fundamental, en la planeación y operación de la circulación
vehicular, conocer las variaciones periódicas de los volúmenes de tránsito dentro
de las horas de máxima demanda, en las horas de día, en los días de la semana y
en los meses del año.
5.1.1.4 Distribución y composición del volumen de tránsito
La distribución de los volúmenes de transito debe ser analizada por carriles esto
como punto de partida en el estudio de transito que se va desarrollar en el
proyecto. Tratándose de tres o más carriles de operación en un sentido, el flujo se
asemeja a una corriente hidráulica.
Al realizar la medición de los volúmenes de tránsito por carril en zonas urbanas, la
mayor velocidad y capacidad, generalmente se logran en el carril de la izquierda
siempre y cuando presenta más de un carril en un sentido, mientras que para vías
compuestas por un solo carril para cada sentido la aceleración resulta similar, sin
embargo se debe tener en cuenta las fricciones laterales, como paradas de
autobuses, taxis y los giros a la izquierda o derecha los cuales causan un flujo
más lento en los carriles.
En los estudios de volúmenes de tránsito es muy útil conocer la composición y
variación de los distintos tipos de vehículos. La composición vehicular se mide en
términos de porcentajes sobre el volumen total. Por ejemplo, porcentaje de
automóviles, de autobuses y de camiones.
5.1.2 Factor camión
Se entiende por el Factor Camión (F.C.) el número de aplicaciones de ejes
sencillos con carga equivalente de 8.2 Ton
Formas de obtener el Factor camión
Pesaje (costoso)
Asumir el F.C. de una vía conocida, y con características similares
Estimar el F.C. por algún método empírico (MOPT - Universidad del Cauca)
25
Se debe tener presente la siguiente ecuación tomada de MOPT Universidad del
cauca.
∑ Ecuación 5
Dónde:
A: porcentaje de camiones tipo C-2
Fe: factores de equivalencia dados por el método MOPT – Universidad del
Cauca.
B: porcentaje de vehículos pesados que emplean el carril de diseño.
Ilustración 1 Tabla de factores de equivalencia MOPT-UNIVERSIDAD DEL CAUCA
Fuente: MONTEJO, Alfonso. Ingeniería para pavimentos de carreteras. 2 ed. Bogotá: Universidad Católica 2001.p. 193
5.1.3 Número de ejes equivalentes
Según el Ministerio de Transporte, los vehículos transmiten las cargas a la
estructura de pavimento a través de las ruedas, las cuales se encuentran
dispuestas en ejes, por lo cual a través de la resolución 4100 de 2004 reglamentan
el peso que pueden transmitir tanto los vehículos, como los diferentes ejes de
carga. En la Tabla 1 se muestra los vehículos de transporte más comunes en el
26
país y en la Tabla 2 se muestra el esquema de los diferentes tipos de ejes y su
peso correspondiente.
Tabla 1 Representación esquemática de los vehículos de transporte de carga más comunes en el país
Designación Configuración Asignación
2
Camión de dos ejes
Camión sencillo
3
Camión de tres ejes
Doble Troque
3S2
Tractocamión de tres
ejes con semirremolque
de dos ejes
3S3
Tractocamión de tres
ejes con semirremolque
de tres ejes
Fuente: Ministerio de transporte. Resolución 4100 de 2004.
Tabla 2 Esquematización de los diferentes tipos de ejes y su carga máxima
Descripción Configuración Peso, Ton
Eje simple direccional
6.0
Eje simple llanta doble
11.0
Eje tándem llanta doble
22.0
Eje tridem llanta doble
24.0
27
Fuente: Ministerio de transporte. Resolución 4100 de 2004
5.1.3.1 Estimación de factores de daño
Se estimarán los factores de daño que los vehículos causarán al pavimento, se
adoptarán la metodología AASHTO para pavimento flexible. El Instituto Nacional
de Vías para pavimento flexible en el manual de diseño de pavimentos asfálticos
en vías con medios y altos volúmenes de tránsito, realiza un cálculo del factor de
equivalencia de carga por eje. A continuación, en la Tabla 3 se presentan las
formulas simplificadas.
Tabla 3 Fórmulas simplificadas
Tipo de eje Fórmula para el cálculo del factor de
equivalencia
Simple de rueda doble (carga del eje en (Ton)/ 8.2)4
Tándem (carga del eje en (Ton)/ 15)4
Tridem (carga del eje en (Ton)/ 23)4
Fuente: INVIAS. Pavimentos asfalticos en vías con medios y altos volúmenes de tránsito.
5.1.3.2 Periodo de diseño
Es definido como el periodo seleccionado al iniciar el diseño, este será
seleccionado dependiendo de las exigencias del servicio, en la mayoría de
ocasiones será mayor a la vida útil del pavimento. En la Tabla 4 se muestra el
periodo de diseño en función del tipo de carretera.
Tabla 4 Periodos de diseño en función del tipo de carretera
Tipo de Carretera Periodo de diseño (años)
Urbana de tránsito elevado 30-50
Interurbana de tránsito elevado 20-50
Pavimentada de baja intensidad de
tránsito 15-25
De baja intensidad de tránsito,
pavimentación con grava 10-20
Fuente: AASHTO, Guide for Design of Pavement Structures 1993.
28
5.1.3.3 Factor de crecimiento
Tiene en cuenta la variación del tránsito en el periodo de diseño considerado, el
cual es utilizado para determinar las cargas equivalentes acumuladas. El factor de
crecimiento se calcula mediante la Ecuación 6 o Ecuación 7.7.
*( ) +
Ecuación 6
*( ) +
( ) Ecuación 7
Donde,
r ó Tc = Porcentaje de factor de crecimiento
n = Periodo de diseño
5.1.3.4 Factor tránsito atraído y generado
Es el volumen del tránsito que, sin cambiar ni su origen ni su destino, puede
ocupar la futura vía pavimentada como ruta alterna, afluyendo a ella a través de
otras vías existentes.8
5.1.3.5 Factor por distribución de carril
Generalmente, para la mayoría de las carreteras se considera una distribución por
carril del 50%, salvo que la información obtenida indique otro comportamiento. En
cuanto a los factores de distribución del flujo vehicular por carril, la AASHTO
recomienda como guía la utilización de la Tabla 5.9
7 CORREDOR, Gustavo. Obtención y manejo de la información de tránsito. [Separata]. Managua,
Agosto 2010. Pág. 2-29.
8 NOTAS DE PAVIMENTOS. Estudio de tránsito definiciones generales. [en línea]. Marzo [cita 07
de marzo de 2016]. En: http://notasdepavimentos.blogspot.com.co/2011/04/estudio-del-tránsito-definiciones.html.
9 HIGUERA SANDOVAL, Carlos Hernando. Nociones sobre los métodos de diseño de estructuras
de pavimentos para carreteras – volumen 2. Universidad pedagógica y tecnológica de Colombia. Facultad de Ingeniería. Escuela de transportes y vías. Tunja, 2010.
29
Tabla 5 Factor de distribución por carril
NÚMERO DE CARRILES DE CADA
DIRECCIÓN
PORCENTAJE DE EJES
EQUIVALENTES DE 8.2 TONELADAS
EN EL CARRIL DE DISEÑO
1 100
2 80 – 100
3 60 – 80
4 50 - 75
Fuente: Higuera Sandoval, Carlos Hernando. Nociones sobre los métodos de diseño de estructuras de pavimentos para carreteras – volumen 2.
5.1.3.6 Calculo de número de ejes equivalentes
El número de ejes equivalentes es calculado mediante la Ecuación 5 indicada a
continuación:
El número de ejes equivalentes es calculado mediante la Ecuación 5 indicada por
el libro Nociones sobre el Método de estructuras de Pavimentos para Carreteras a
continuación:
Ecuación 8
Dónde:
= Transito promedio diario
Factor de equivalencia
= Factor de distribución por carril
= Factor transito atraído y generado
= Factor de crecimiento
= Factor de equivalencia
30
5.1.4 Ensayos para definir resistencia del subsuelo
La resistencia del subsuelo es de suma importancia debido a que con ello se
definirá la capacidad mecánica del suelo y así se obtendrá un parámetro inicial
para realizar el diseño.
5.1.4.1 CBR (California Bearing Ratio)
Ensayo para la determinación de un índice de resistencia de los suelos de
subrasante, subbase y base.
5.1.4.2 Equipos y materiales
Prensa: Se utiliza para establecer la penetración de un pistón en la
muestra. Debe estar equipada con una cabeza o base móvil que se mueva
a una velocidad uniforme de 1.27 mm/min (0.05”/min), con una tolerancia
de más o menos 20%.
La máquina debe estar equipada con un dispositivo indicador de carga que
tenga una aproximación de lectura adecuada para la máxima carga prevista
durante la penetración. La aproximación de lectura deberá ser de 44 N (10
lbf) o menos, si la prensa tiene una capacidad de carga de 44.5 KN (10 kib)
o más; deberá ser de 22 KN (5 lbf) si la capacidad de carga es de 22.3 KN
(5 kip), y deberá ser de 8.9 N (2 lbf) para una capacidad de carga mínima
de 11.2 KN (2.5 kip).10
El dispositivo de la penetración debe dar lecturas con una aproximación a
los 0.025 mm (0.001”) más cercanos y estar asociado a un accesorio de
montaje, el cual debe establecer una conexión entre el medidor de
penetración, el pistón de penetración y el borde del molde, para brindar
medidas de penetración correctas. El ensamble del medidor a algún
componente del marco de carga sometido a esfuerzo produce inexactitudes
en las lecturas.11
10 INVIAS. Norma de ensayos de materiales para carreteras. INV E – 148- 13. 2014. Instituto
nacional de vías.
11 Ibid., p 412
31
Moldes
Disco espaciador
Martillos de compactación
Aparato medidor de expansión
Placa de metal perforada
Un trípode
Sobrecargas metálicas
Pistón de penetración
Tanque
Horno
Balanzas
Tamices
Regla metálica
Material misceláneo
Ilustración 2. Elementos para determinar CBR
32
Fuente: Sistemas de ensayos. Madrid
5.1.4.3 Procedimiento
El ensayo consiste en un pistón circular penetrando a una velocidad constante. El
ensayo se utiliza para expresar el CBR de una muestra compactada en un molde
especificado.
Según la norma de INVIAS, si se desea obtener el CBR óptimo de
humedad y a un determinado porcentaje del peso unitario seco máximo,
dichos golpes de cada capa deberán variar lo necesario para que los pesos
unitarios secos resultantes presenten valores por encima y por debajo del
valor deseado. Si se desea tener un CBR de un suelo al 95% de
compactación, resulta compactar especímenes de 56, 25, 10 golpes por
capa. En la Fotografía 1 se observa la muestra dentro del molde.
Fotografía 1. Molde con muestra tomada
Fuente: Elaboración propia
La norma indica que el molde se debe ajustar a la placa base y se une al
collar de extensión. A continuación, se inserta el disco espaciador dentro
del molde y se coloca papel filtro grueso sobre el disco.
33
Fotografía 2. Trípode de medida con sus patas sobre los bordes del molde
Fuente: Elaboración propia
A continuación se sumerge el molde en el tanque con las pesas de
sobrecargas colocadas, dejando libre acceso al agua por la parte superior e
inferior de la muestra. Se toma la primera lectura para medir la expansión,
colocando el trípode de medida con sus patas sobre los bordes del molde,
haciendo coincidir el vástago del deformímetro con el de la placa perforada
se anota la lectura y al igual el día siguiente. Se mantiene la probeta
durante las 96 horas (4 días) con el nivel de agua constante, al final del
periodo de inmersión se coloca el trípode y se lee el deformímetro para
medir el hinchamiento y calcular posteriormente la expansión, como un
porcentaje de altura inicial del espécimen, se muestra la colocación del
tripode.
Luego se procede al ensayo de penetración (es importante que no
transcurra mucho tiempo desde que se retire la sobre carga hasta cuando
se coloca de nuevo en el ensayo de penetración). El ensayo de penetración
consiste en aplicar una sobrecarga de 44 N (10lbf) para que el pistón
34
asiente, se monta el dial medidor de manera que se logre medir la
penetración del pistón, en la Ilustración 3 se muestra el montaje de la
muestra.
Ilustración 3 Montaje de muestra para penetración
Fuente: 03 de marzo de 2016 En: Pagina web: http://fjq.cl/2010/02/ensayo-cbr-california-bearing-ratio.html
Finalmente se desmonta el molde y se toman los datos que nos muestra la
pantalla del aparato para determinar el CBR. Este nos permite configurarlo
para el ensayo que necesitemos. En la Fotografía 3 se muestra la toma de
datos.
Fotografía 3 Equipo en toma de datos
35
Fuente: Elaboración propia.
5.1.5 Formula IVANOV
La fórmula de IVANOV se utiliza para determinar el valor de capacidad
equivalente, cuando el material de la subrasante da un resultado menos al 3%,
con esta fórmula se realiza el cálculo del espesor de el mejoramiento que se debe
emplear para tener un mejor valor de CBR.
[
(
)
(
)] Ecuación 9
(
)
h1= Corresponde al espesor del material granular
a= Radio de carga
n= Relación entre módulos de las capas inferior y superior
Einferior= Modulo de capa inferior, kg/cm2
Esuperior= Modulo de capa superior, kg/cm2
Eequivalente= Modulo equivalente a la profundidad analizada, kg/cm2
36
5.1.6 Especificación base granular
5.1.6.1 DESCRIPCIÓN
Esta especificación se refiere al suministro, colocación y compactación de material
de base granular aprobado sobre una sub base, afirmado o subrasante, en una o
más capas, de acuerdo con los alineamientos y dimensiones que se indiquen en
los planos del proyecto o que establezca el Interventor.
5.1.6.2 MATERIALES
5.1.6.2.1 Agregados pétreos
Los materiales para construir la base granular pueden ser gravas naturales o
materiales provenientes de la trituración de fragmentos rocosos o una mezcla de
ambos. Las partículas deberán ser duras y resistentes, de características
uniformes, libres de terrones de arcilla u otras sustancias objetables y deberán
satisfacer los siguientes requisitos:
5.1.6.2.2 Granulometría
Deberá ajustarse a alguna de las siguientes franjas:
Tamiz Porcentaje que pasa
Normal Alterno BG-38 BG-25
37.5 mm 1 ½” 100 -
25.0 mm 1” 70-100 100
19.0 mm ¾” 60-90 70-100
9.50 mm 3/8” 45-75 50-80
4.75 mm No.4 30-60 35-65
2.00 mm No.10 20-45 20-45
425 m No.40 10-30 10-30
75 m No.200 5-15 5-15
La franja por emplear será establecida en los documentos del proyecto o la que indique el Interventor.
37
Con el fin de evitar segregaciones y garantizar los niveles de densidad y
resistencia exigidos por la presente especificación, el material que suministre el
Constructor debe dar lugar a una curva granulométrica uniforme y sensiblemente
paralela a los límites de la franja autorizada, sin saltos bruscos de la parte superior
de un tamiz a la inferior del adyacente, etc.
El tamaño máximo nominal del agregado por utilizar no podrá exceder la mitad del
espesor de la capa compactada.
5.1.6.3 Límites de consistencia
La fracción del material de base granular que pase el tamiz No.40 deberá
presentar un índice plástico no mayor al tres por ciento (3%).
5.1.6.4 Limpieza
El equivalente de arena de la fracción inferior al tamiz No. 4, deberá ser cuando
menos de treinta por ciento (30%).
5.1.6.5 Resistencia a la abrasión
El desgaste del material, determinado mediante la máquina de los Angeles, no
podrá ser superior al cuarenta por ciento (40%).
5.1.6.6 Capacidad de soporte
El material compactado al cien por ciento (100%) de la densidad máxima del
Proctor Modificado, deberá presentar un CBR igual o superior a ochenta por ciento
(80%).
5.1.7 Parámetros para diseño con el método SHELL
Este método considera la estructura del pavimento como un sistema multicapa
linealmente elástico, bajo la acción de las cargas de tránsito, en el cual los
materiales se encuentran caracterizados por su módulo de elasticidad de Young
(E) y su relación de Poisson (μ). Los materiales de la estructura se consideran
homogéneos y se asume que las capas tienen una extensión infinita en sentido
horizontal.
38
El procedimiento básico supone al pavimento como una estructura tricapa
(Ilustración 4), en la que la capa superior corresponde a las carpetas asfálticas, la
intermedia a las capas granulares y la inferior, que es infinita en sentido vertical,
corresponde a la subrasante.
Ilustración 4. Estructura Tricapa
Fuente: MONTEJO, Alfonso. Ingeniería para pavimentos de carreteras. 2 ed. Bogotá: Universidad Católica 2001.p. 254
5.1.7.1 Parámetros de diseño
Período de Diseño: Al igual que para el método anterior se verificó la estructura
para 10 años de periodo de diseño.
Tránsito: Se expresa como el número acumulado de ejes equivalentes de 8.2
Ton, por eje sencillo que se presentan en el carril de diseño.
Temperatura: Las variaciones diarias y estacionales de la temperatura no
presentan influencia significativa en el módulo de elasticidad de las capas
granulares, en cambio son muy importantes en las propiedades del asfalto, dado
que es un producto susceptible térmicamente y por lo tanto las mezclas que se
construyan con él van a presentar un módulo de elasticidad diferente según el
clima del lugar donde se construirá la obra. El comportamiento de una mezcla es
diferente en clima frío que en caliente. A fin de considerar este efecto, el método
desarrollará un procedimiento para estimar una temperatura media anual
39
ponderada del aire (WMMAT) en la región del proyecto a partir de las
temperaturas medias mensuales del aire (MMAT) y con ellos obtener unos
factores de ponderación que se obtienen de la Ilustración 5.
Resistencia de la subrasante: El método exige conocer el módulo de resiliencia.
Con base en el CBR se puede determinar en términos de Kg/cm2.
Ilustración 5 Factor de Ponderación.
Fuente: MONTEJO, Alfonso. Ingeniería para pavimentos de carreteras. 2 ed. Bogotá, Universidad Católica 2001.p. 291
40
5.1.7.2 Características de la mezcla asfáltica:
Aun cuando existan muchos tipos de mezclas asfálticas, la SHELL considera que
son dos las propiedades fundamentales de ellas, que inciden en su
comportamiento.
a) Módulo de elasticidad dinámico
b) Resistencia de la mezcla a la fatiga, es decir, a la acción repetida de las
cargas.
En cuanto al módulo de elasticidad dinámica el método distingue dos tipos de
muestra; las S1 que son mezclas corrientes de concreto asfáltico de alta rigidez,
con contenidos normales o promedios de agregados, de asfalto y de vacíos con
aire. Las mezclas de tipo S2 son mezclas de baja rigidez, mezclas abiertas que
tiene un alto contenido de vacíos con aire y un bajo contenido de asfaltos.
En cuanto a la fatiga el método distingue dos tipos de mezcla: Las F1 que tienen
alta resistencia y que tienen cantidades moderadas de vacíos con aire y de
asfalto, y las F2, de baja resistencia y que tienen alto volúmenes de vacío con aire.
El método considera únicamente dos tipos de cemento asfáltico, para la
elaboración de las mezclas asfálticas; los de penetración 50 (1/2 mm) que se
emplean en climas calientes y los de penetración 100 que se emplean en climas
fríos. Con base en lo anterior, la SHELL reconoce para el diseño ocho tipos de
mezclas asfálticas y presenta gráficas de diseño diferentes para cada una de ellas,
estas son:
S1 F1 – 50 S2F1 – 50
S1F2 – 50 S2F2 – 50
S1F1 – 100 S2F1 – 100
S1F2 – 100 S2F2 – 100
Para determinar el tipo de mezcla asfáltica, la SHELL presenta una serie de
gráficas que están en función de ensayos rutinarios de laboratorio. El
procedimiento a seguir considera los siguientes pasos:
41
Determinación del índice de penetración de la temperatura T800 del asfalto:
Con el asfalto que se va a usar en la construcción se hacen varios ensayos
de penetración a diferentes temperaturas para determinar su susceptibilidad
térmica y con ayuda de la gráfica de HELKELLOM (Ilustración 6) se halla el
índice de penetración (IP) que es una medida de la susceptibilidad térmica
del asfalto, y también el T800 que es la temperatura a la cual la penetración
es de 800 décimas de milímetro.
Ilustración 6 Determinación de T800 e IP
Fuente: MONTEJO, Alfonso. Ingeniería para pavimentos de carreteras. 2 ed. Bogotá: Universidad Católica 2001.p. 293
42
Determinación de la rigidez del asfalto a la temperatura de trabajo en obra:
Se emplea en la gráfica de Van Der Poel (Ilustración 7) Para ello es
necesario conocer:
Índice de penetración.
Tiempo de aplicación de carga.
La SHELL recomienda emplear un tiempo de 0.02 s. Que corresponde a
una velocidad del vehículo de 50 – 60 Km/h –
Ecuación 10
Ilustración 7 Nomograma de VAN DER POEL para determinar el módulo dinámico del asfalto
Fuente: MONTEJO, Alfonso. Ingeniería para pavimentos de carreteras. 2 ed. Bogotá: Universidad Católica 2001.p. 294
5.1.7.3 Determinación del stiffness del asfalto a la temperatura de trabajo en obra
Para la determinación del stiffness del asfalto, se requiere la temperatura de
trabajo en obra, el índice de penetración (Ip ) y el tiempo de aplicación de carga. El
método SHELL recomienda emplear un tiempo de 0.02 segundos cuando se
43
trabaja vías urbanas lo cual corresponde a una velocidad de 50 – 60 km/hora. Esto
también como referencia a los estudios realizados por el IDU para la
caracterización por zonas en Bogotá y utilizando la siguiente ecuación.
Ecuación 11
5.1.8 Parámetros para diseño con el método AASHTO
Debido a los diferentes diseños realizados a nivel nacional y en la ciudad de
Bogotá se debe realizar la elección de parámetros específicos para el tipo de vía a
diseñar, esto dependerá de la cantidad de vehículos que pasen sobre la
estructura, el tipo de suelo que se encuentre en la zona de estudio y demás
detalles que se consideren exclusivos para el diseño a realizar.
5.1.8.1 Categorías de tránsito
Para seleccionar la categoría de tránsito se seguirá la normatividad del IDU,
debido a que la estructura será diseñada para una vía colocada en este sector. La
categoría de tránsito será definida debido a que con esta definición se escogerán
los materiales y mezclas para la construcción de la estructura de pavimento. En la
Tabla 6 se muestra las categorías de tránsito:
Tabla 6 Categorías de tránsito
Categoría de Tránsito
Nivel de tránsito
Criterio 1
VPDO
Criterio 2
NAEE_80, millones
T0 VPDO < 20 NAEE_80<0.2
T1 20≤VPDO<50 0.2≤NAEE_80<0.5
T2 50≤VPDO<150 0.5≤NAEE_80<1.5
T3 150 ≤ VPDo < 300 1.5 ≤NAEE_80<3.0
T4 300 ≤ VPDo < 750 3.0 ≤ NAEE_80 < 7.5
T5 VPDo ≥ 750 NAEE_80 ≥ 7.5
Fuente: INSTITUTO DE DESARROLLO URBANO. Especificaciones IDU – ET -2011. Sección 107-11 p.p. 8-9.
VPDo: número de vehículos pesados por día en el carril de diseño, durante el
primer año deservicio de las obras, donde vehículos pesados son buses y
camiones con peso de 3.5 toneladas o más.
44
NAEE_80: número acumulado de ejes equivalentes de 80kN en el período de
diseño, en el carril de diseño.12
5.1.8.2 Capas granulares de base y subbase
Suministro, extensión, humedecimiento, mezcla, conformación y compactación de
un material granular aprobado, el cual formará parte de la estructura de un
pavimento, el tipo de capa granular a emplear se definirá en función de la
importancia de la vía, del nivel de tránsito, de tipo de pavimento y de la posición de
la capa dentro de la estructura de pavimento. En la Tabla 7 se muestra el tipo de
base y subbase que se debe escoger según el tránsito.
Tabla 7 Correspondencia entre capas granulares, el tipo de pavimento y las categorías de tránsito
Tipo de capa Categorías de tránsito
T0-T1 T2-T3 T4-T5 PEATONAL
Pavimento Asfaltico
Base Granular BG-C BG-B BG-A
Subbase granular SBG-C SBG-B SBG-A
Pavimento de Losas de Concreto de Cemento Pórtland
Base Granular BG-B BG-A NA
Subbase granular SBG-B SBG-A SBG-A
Andenes y Estructuras peatonales
Base Granular NA
Subbase granular SBG PEA
Fuente: INSTITUTO DE DESARROLLO URBANO. Especificaciones IDU – ET -2011. Sección 400-11 p.p. 1-2.
5.1.8.3 Requisitos de los agregados para bases granulares
Según el IDU (Instituto de Desarrollo Urbano), los agregados pétreos que se
deben emplear en la construcción de la base y subbase granular, deben cumplir
con el requerimiento de la Tabla 8 y Tabla 9.
12 INSTITUTO DE DESARROLLO URBANO. Especificaciones IDU – ET – 2011. Sección 107-11.
pp 8-9.
45
Tabla 8. Requisitos de los agregados para bases granulares
Fuente: INSTITUTO DE DESARROLLO URBANO. Especificaciones IDU – ET -2011. Sección 400-11 p.p. 2.
Norma de
ensayo
BG_C BG_B BG_A
Desgaste Los
Angeles (Gradación
A)
INV E-218-07 40 40 35
Micro Deval, %
máximoINV E-238-07 30 25 20
60 75 100
75 75 75
Pérdidas en ensayo
de solidez en
sulfatos, % máximo
INV E-220-07 18 18 18
INV E-125-07 25 25 25
INV E-126-07 3No
plástico
No
plástico
INV E-133-07 20 20 20
INV E-235-07 10 10 10
INV E-211 2 2 2
1 cara 60 85 85
2 caras 40 60 60
INV E-230-07 35 35 35
INV E-230-07 35 35 35
INV E-239-07 35 35 35
INV E-148-07 80 100 100
Equivalente de Arena, % mínimo
EnsayoClase de Base Granular
Dureza
En seco, 500 revoluciones, %
máximo
Agregado Grueso (FT)
10% de finosValor en seco, kN mínimo
Relación húmedo/seco, % mínimoINV E-224-07
Durabilidad
Sulfato de Magnesio
Limpieza
Límite Líquido, % máximo
Índice de Plasticidad, % máximo
Valor de Azul de Metileno, máximo
Terrones de arcilla y partículas deleznables, % máximo
Geometría de las Partículas
Partículas Fracturadas
Mecánicamente, % mínimoINVE-227-07
Índice de Aplanamiento, % máximo (2)
Índice de Alargamiento, % máximo (3)
Angularidad del Agregado Fino, % mínimo (RO)
Capacidad de Soporte
CBR, % mínimo referido al 100 % de la densidad seca
máxima, según el ensayo INV E-142-07 (AASHTO T
180), método D, después de 4 días de inmersión.
46
Tabla 9 Requisitos de los agregados para subbases granulares
Fuente: INSTITUTO DE DESARROLLO URBANO. Especificaciones IDU – ET -2011. Sección 400-11 p.p. 3.
Los módulos de elasticidad dinámicos para concreto asfáltico, subbase granular y
subbase estabilizada se establecieron a partir de experiencias locales y cartas de
la AASHTO13.
Para el módulo resiliente de la subrasante la ecuación propuesta es para CBRs
menores al 8%
Ecuación 12
13 ETA S.A. Estudios y diseños de la carrera Séptima, tramo calle 185 – Calle 200. Contrato N°
207-99 con el IDU, 1999.Pag. 38.
SBG PEA SBG_C SBG_B SBG_A
INV E-218-07 50 45 40 40
INV E-238-07 NA 35 35 30
40 50 60
65 70 75
INV E-220-07 18 18 18 18
INV E-125-07 40 25 25 25
INV E-126-07 10 6 3 3
INV E-133-07 18 18 20
INV E-235-07 10 10 10
INV E-211-07 2 2 2
1 cara NA NA NA 50
2 caras NA NA NA 30
INV E-230-07 NA NA NA NA
INV E-230-07 NA NA NA NA
INV E-239-07 NA NA NA NA
INV E-148-07 20 30 40 60
Micro Deval, % máximo Agregado Grueso (FT)
EnsayoClase de Base Granular
Dureza
Desgaste Los Ángeles
(Gradación A)En seco, 500 revoluciones, % máximo
Capacidad de Soporte
CBR, % mínimo Referido al 100 % de la densidad seca máxima,
según el ensayo INV E-142 (AASHTO T 180), método D, después
de 4 días de inmersión.
Valor de Azul de Metileno, máximo
Terrones de arcilla y partículas deleznables, % máximo
Geometría de las Partículas
Partículas Fracturadas
Mecánicamente, % mínimoINVE-227-07
Limpieza
Norma de
ensayo
Índice de Aplanamiento, % máximo (2)
Índice de Alargamiento, % máximo (3)
Angularidad del Agregado Fino, % mínimo (RO)
Pérdidas en ensayo de solidez en
sulfatos, % máximoSulfato de Magnesio
Límite Líquido, % máximo
Índice de Plasticidad, % máximo
Equivalente de Arena, % mínimo
10% de finosValor en seco, kN mínimo
Relación húmedo/seco, % mínimoINV E-224-07 NA
Durabilidad
47
La ecuación para CBRs mayores al 8%
Ecuación 13
5.1.8.4 Coeficientes de Capa
“Los coeficientes de capas permiten convertir los espesores reales a números
estructurales (SN), siendo cada coeficiente una medida de la capacidad relativa de
cada material para funcionar como parte de la estructura del pavimento”14.En la
Ilustración 8 se muestra la gráfica para hallar a1 en función del módulo resiliente,
en la Ilustración 9 se muestra la gráfica para obtener a2 con una capa granular y
en la Ilustración 10 se presente la gráfica para obtener el a3 para las capas de
subbase granular.
Ilustración 8 Grafica para hallar a1 en función del módulo resiliente del concreto asfáltico.
Fuente: Montejo, Alfonso. Ingeniería para pavimentos de carreteras. pp. 268
14 MONTEJO FONSECA, Alfonso. Ingeniería de pavimentos para carreteras Tomo I. Universidad
Católica de Colombia, Bogotá 2002. pp. 268
48
Ilustración 9 Variación de coeficiente a2 con diferentes parámetros de resistencia de la base granular.
Fuente: Montejo, Alfonso. Ingeniería para pavimentos de carreteras. pp. 269
Ilustración 10 Variación de coeficiente a3 con diferentes parámetros de resistencia de la subbase granular.
Fuente: Montejo, Alfonso. Ingeniería para pavimentos de carreteras. pp. 273
49
5.1.8.5 Drenaje
A pesar de la importancia que se concede al drenaje en el diseño de carreteras,
los métodos corrientes de dimensionamiento de pavimentos incluyen con
frecuencia capas de base de baja permeabilidad y consecuentemente de difícil
drenaje.
Tabla 10 Diferentes niveles de drenaje de la estructura de pavimento
Calidad del drenaje Término para remoción del agua
Excelente 2 horas
Buena 1 día
Aceptable 1 semana
Pobre 1 mes
Muy pobre (El agua no drena)
Fuente: Montejo, Alfonso. Ingeniería para pavimentos de carreteras. pp. 271
Se muestra en la Tabla 11 los valores que la AASHTO para mi de acuerdo con la
calidad del drenaje y el tiempo. Los factores allí mostrados solo aplican para bases
granulares.
Tabla 11 Valores mi recomendados para modificar los coeficientes de capas de base y subase granulares.
Calidad del drenaje
% de tiempo de exposición de la estructura del pavimento a nivel de humedad próximos a la saturación
<1% 1-5% 5-25% >25%
Excelente 1.40-1.35 1.35-1.30 1.30-1.20 1.20
Bueno 1.35-1.25 1.25-1.15 1.15-1.00 1.00
Aceptable 1.25-1.15 1.15-1.05 1.00-0.80 0.80
Pobre 1.15-1.05 1.05-0.80 0.80-0.60 0.60
Muy pobre 1.05-0.95 0.95-0.75 0.75-0.40 0.40
Fuente: Montejo, Alfonso. Ingeniería para pavimentos de carreteras. pp. 274
50
El tratamiento para el nivel esperado de drenaje de un pavimento flexible se logra
a través del empleo de coeficientes de capas modificadas; esto es, se podría
utilizar un coeficiente de capa más alto. El factor de modificación se denomina mi y
ha sido integrado desde la ecuación (SN) a partir de capa (ai) y el espesor de (di).
5.1.8.6 Nivel de confiabilidad
Se define “como nivel de confiabilidad un proceso de diseño – comportamiento de
un pavimento a la probabilidad de que una sección diseñada usando dicho
proceso, se comportará satisfactoriamente bajo las condiciones de tránsito y
ambientales durante el período de diseño”15. En la Tabla 12 se muestra los niveles
de confiabilidad sugeridos para el diseño en la zona de estudio.
Tabla 12 Niveles de confiabilidad sugeridos para el diseño de carreteras
CLASIFICACIÓN NIVEL DE CONFIABILIDAD RECOMENDADO
Urbana Rural
Autopistas interestatales
y otras 85 – 99.9 80 – 99.9
Arterias principales 80 – 99 75 – 95
Colectoras de Tránsitos 80 – 95 75 – 95
Carreteras locales 50 – 80 50 – 80
Fuente: Montejo, Alfonso. Ingeniería para pavimentos de carreteras. pp. 264
5.1.8.7 Desviación estándar total
Según los valores desarrollados en la AASHTO ROAD TEST los valores So no
incluyen error por el tránsito. El error del tramo donde se desarrollaron varias
pruebas fue de 0.35 para los pavimentos flexibles, lo cual corresponde una
desviación estándar total de 0.45.
15Ibid., p. 264
51
5.1.8.8 Serviciabilidad
La Serviciabilidad de un pavimento se define como la idoneidad que tiene el
mismo para servir a la clase de tránsito que lo va a utilizar. La mejor forma de
evaluarla es a través del índice de servicio presente (psi), el cual varia de 0
(carretera imposible) hasta 5 (carretera perfecta).
La escogencia de un índice más bajo que puede tolerarse antes de que sea
necesario un refuerzo o una rehabilitación, la AASHTO sugiere un valor de 2.5
para las autopistas y vías principales y 2.0 para las demás carreteras.
En el ensayo AASHTO, se obtuvo un valor de 4.2 para los pavimentos flexibles,
pero cada entidad podrá elegir un valor apropiado para sus condiciones y
características constructivas.
Una vez establecido P0 y Pt, se aplica la siguiente ecuación para definir el cambio
total en el índice de servicio:
Ecuación 14
5.1.8.9 Módulo resiliente de la subrasante
La base es la caracterización de los materiales de la subrasante en este método,
es el módulo resilente o elástico. Se determina mediante la ecuación 9 o ecuación
10.
5.1.8.10 Determinación del número estructural
La fórmula a utilizar será:
Ecuación 12
SN= Número estructural
ai= Coeficiente estructural de la capa i, el cual depende de la característica
del material con que ella se construya.
mi= Coeficiente de drenaje de la capa i
di= Coeficiente de la capa i en pulgadas
52
5.1.9 Esfuerzos, deformaciones y deflexiones admisibles para estructuras
de pavimento flexible.
5.1.9.1 DEPAV
Los parámetros usados deben ser:
Radio de curvatura: 10.78cm
Presión de contacto: 5.61 kg/cm2
Distancia entre llantas: 32.41 cm
Módulos de elasticidad Ei en kilogramos por centímetro cuadrado de las
distintas capas.
Relaciones de Poisson µi de las distintas capas
Espesores de las capas Hi
Tipo de interfase entre las capas
5.1.9.2 Esfuerzos, deformaciones y deflexiones admisibles
La estructura de pavimento diseñada se debe chequear por medio del método
racional, con el propósito de verificar que los esfuerzos, deformaciones y deflexión
críticos no superen valores admisibles
La Ley de fatiga de la Shell se expresa de la siguiente manera:
( ) (
)
Ecuación 15
Dónde:
: Deformación de tracción admisible de la capa asfáltica (mm)
Vb: Porcentaje de Volumen de asfalto.
Ei : Modulo dinámico de la mezcla.
N: Transito de diseño expresado en ejes equivalentes de 8.2 Kn.
K: coeficiente de calaje.
53
5.1.9.3 Criterio de la Shell para determinar la deformación vertical admisible de
comprensión sobre la subrasante. €zadm
El criterio de deformación admisible de compresión sobre la subrasante este en
función del nivel de confiabilidad y sus expresiones de cálculo para diferentes
niveles de confianza son las siguientes:
Para un nivel del 50%
Ecuación 16
Para un nivel 85%
Ecuación 17
Para un nivel de 95%
Ecuación 18
5.1.9.4 Esfuerzo vertical admisible de compresión sobre la subrasante.
La determinación del esfuerzo admisible de compresión sobre la subrasante se
hace según el criterio Dormon-kerhoven y de la CRR de Bélgica, las expresiones
son las siguientes:
5.1.9.4.1 Criterio de Dormon-kerhoven
Contempla el esfuerzo vertical admisible, transito de diseño y módulo resilente de
la subrasante
Ecuación 19
5.1.9.4.2 Criterio de la CRR de Bélgica.
CBR capacidad de soporte de la subrasante (%)
Ecuación 20
54
5.1.9.5 Deflexión vertical admisible en la superficie Ʌzadmo
Las medidas de deflexión son un criterio de deformabilidad que permite evaluar el
estado y la capacidad estructural de un pavimento en función del número de
aplicaciones de carga que este es capaz de soportan antes de alcanzar la falla.
La deflexión vertical admisible de superficie de la estructura de pavimento se
calcula con la expresión propuesta por Yang H. Huang:
Ecuación 21
55
5.2 MARCO GEOGRÁFICO
El proyecto se encuentra localizado en el departamento de Cundinamarca, ciudad
Bogotá D.C., localidad de Kennedy, barrió Santa Catalina el cual corresponde a la
UPZ No. 46.
Ilustración 11 Localización general de Bogotá y localidad de Kennedy
Fuente: Elaboración propia. Software ARCGIS
56
Ilustración 12. Localización del proyecto
Fuente: Google Maps
57
5.2.1 Marco Demográfico
El proyecto está ubicado en la localidad de Kennedy en la UPZ No. 46 Castilla, en
el cual predomina los estratos socio económicos 2 y 3. La localidad representa el
14.33% de la población de la ciudad, donde el 30% es menor de 20 años.
En la Tabla 13 se observa de la composición de la población por edad y sexo
Tabla 13. Composición de población por edad y sexo. Localidad Kennedy,
año2013
GRUPO DE EDAD TOTAL HOMBRES MUJERES
Dependencia
económica
Menores de 15
años 262,076 131,353 130,723
15-64 643,110 295,523 347,586
Mayores de 64
años 46,144 18,262 64,406
Fuerza Laboral
PET 12 años y
más 735,038 336,756 398,283
Fuente: D.A.P.D, Subdirección de Desarrollo Social, Área de Desarrollo Humano Y Progreso Social, Bogotá, D.C., 2013.
En la localidad, las agrupaciones de edades y de población demandante de
servicio educativos según el DANE, el 85 % de los estudiantes de la UPZ No. 46
pertenecen a escuelas y colegios Distritales. En cuanto a vivienda, la población
está en un rango de 5,3 personas por hogar, haciéndola una de las localidades
con más habitantes, 443 por hectárea, con un desarrollo de 109 hectáreas
construidas el cual está en un rango bajo si se toma el número de habitantes de la
zona.16
16 Dirección de Evaluación - Secretaría de Educación del Distrito - SED -. (s.f.). Recuperado el 6 de
diciembre de 2012, de sitio Web Secretaría de Educación del Distrito: http://www.sedbogota.edu.co/evaluacion.
58
Referente a seguridad, este presenta indicadores bajos que son analizados como
delitos de alto impacto al igual que el indicador de homicidios, este refleja un
porcentaje bajo si analiza o compara con otras UPZ de la localidad.
59
5.3 MARCO LEGAL
El marco legal tiene como fin dar a conocer la normatividad vigente que aplica
para la ejecución del proyecto y por las cuales se rigen los diseños de pavimento
flexibles con sus diferentes variables y análisis. A continuación, se presenta una
tabla de resumen donde se indica la norma y su título.
Tabla 14 Composición de normas y aplicación al proyecto
NÚMERO DE NORMA,
ENTIDAD O AUTOR DESCRIPCIÓN APLICACIÓN
Instituto Nacional de Vías y
Transporte INVIAS 2013
Normas de ensayo para
materiales de carreteras
Sección 100, INV E
172 y INV E 148
Instituto de Desarrollo Urbano
IDU
Especificaciones técnicas
generales de materiales y
construcción para proyectos
de infraestructura vial y de
espacio público en Bogotá
D.C. 2011
Capítulo 3 y 4
Instituto de Desarrollo Urbano
IDU
Diseño de pavimentos para
bajos volúmenes de tránsito
y vías locales para Bogotá
D.C.
Caracterización de
Sub-rasante
Fuente: Elaboración Propia
60
6 DISEÑO METODOLÓGICO
6.1 ENFOQUE DE INVESTIGACIÓN
Es un enfoque cuantitativo dado que es necesaria la recolección de datos
numéricos a través de la estadística, con la cual, se dé una solución a un
problema ingenieril. La presente investigación es utilizada para determinar un
diseño óptimo de una estructura de pavimento flexible, para realizar un análisis y
chequeo de deflexiones y deformaciones logrando determinar el comportamiento
de la estructura.
6.2 TIPO DE INVESTIGACIÓN
La investigación es de tipo cuantitativo debido a que se realizará el cálculo de
cada una de las metodologías seleccionadas para determinar un diseño optimo.
6.3 DISEÑO MUESTRAL
6.3.1 Población
La población involucrada para el método analítico son los vehículos de carga
pesada, así mismo a la población residente del sector que se ve afectada día a día
por el estado actual de la vía.
6.3.2 Muestra y tipo de muestreo
La muestra escogida será los vehículos de carga pesada que circula en el barrio
Santa Catalina en la localidad de Kennedy de la ciudad de Bogotá, dado que es la
zona que presenta mayor afectación en su malla vial, para ello, se realizará para el
análisis un muestreo probabilístico, del cual se tendrá en cuenta el muestreo
aleatorio simple en el cual debe asegurarse que todos los miembros de la
población sean incluidos en la lista y luego seleccionar al azar el número deseado
de sujetos para así poder desarrollar el método analítico.
61
6.4 FASES DE LA INVESTIGACIÓN
Tabla 15. Fases de la investigación
NOMBRE DE LA
FASE ACTIVIDADES A REALIZAR
Caracterizar Toma de muestras mediante apiques.
Realizar ensayos de laboratorio CBR.
Determinar
Identificar el número de vehículos que pasan por
esta zona.
La periodicidad con la que transitan.
Determinar el método probabilístico que se va
desarrollar
Calcular el número de ejes equivalentes
Evaluar
Revisión de las diferentes normas para diseño de
pavimentos.
Diseño de la estructura
Chequeo y Análisis de deformaciones y esfuerzos
mediante Depav
Comparación de deformaciones y esfuerzos
mediante fórmulas teóricas
Comparación de alternativas mediante presupuesto
Fuente: Elaboración Propia
6.5 INSTRUMENTOS Y TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE INFORMACIÓN
Para poder determinar el factor camión que es un punto clave en nuestro trabajo
se deben conocer o recolectar los siguientes datos:
62
- Información sobre los volúmenes y cargas de tráfico de la vía, para ello es
necesario un conteo manual clasificado con el fin de poder estimar
variables confiables.
- PDT: Promedio diario de tráfico en un sentido; para ello será vital
importancia consultar los datos del Instituto de Desarrollo Urbano – IDU así
como del Instituto Nacional de Vías – INVIAS, con el cual se obtendrán los
datos recolectados en los últimos años y así realizar un análisis más
cercano a la realidad.
6.6 ENSAYOS IN SITU Y LABORATORIO
6.6.1.1 Toma de muestras in Situ
Para la toma de muestra se realizaron dos apiques, los cuales fueron realizados
hasta una profundidad de 1,6 m donde se encontró el suelo natural; se tomaron
las 2 muestras. A continuación, se muestra el registro fotográfico.
Fotografía 4 Extracción de muestra apique 1
Fuente: Elaboración propia
Fotografía 5 Extracción de muestra apique 2
63
Fuente: Elaboración propia
64
7 DISCUSIÓN DE RESULTADOS
7.1 CARACTERIZACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DEL SUELO
7.1.1 Ensayo CBR
Los resultados arrojados en el laboratorio se indican en la Tabla 16, Tabla
17,Tabla 18, Tabla 19 y en el ANEXO 1.
Tabla 16. Apique 1 muestra analizada antes de la inmersión
Fuente: Elaboración propia
Tabla 17. Apique 1 muestra analizada después de la inmersión
M OLD E N o .: 3
M ASA M OLDE (g): 4322
M ASA M OLDE + M UESTRA (g): 7894
M ASA M UESTRA HUM EDA (g): 3572
VOLUM EN M UESTRA (cm³): 2123
HUM EDAD NATURAL DE LA M UESTRA (%) 31.7
DENSIDAD SECA (kg/m³): 1278
C .B .R . A 0 ,100 pulg (%): 1.2
C .B .R . A 0 ,200 pulg (%): 0.9
So brecarga de penetracio n (kg) 10
M UEST R A A N T ES D E IN M ER SION
M OLD E N o .: 37
M ASA M OLDE (g): 4131
M ASA M OLDE + M UESTRA (g): 8217
M ASA M UESTRA HUM EDA (g): 4086
VOLUM EN M UESTRA (cm³): 2123
HUM EDAD NATURAL DE LA M UESTRA (%) 35.2
DENSIDAD SECA (kg/m³): 1424
C .B .R . A 0 ,100 pulg (%): 0.7
C .B .R . A 0 ,200 pulg (%): 0.7
So brecarga de penetracio n (kg) 10
LECTURA ANTES DE INM ERSIÓN (mm) 9.49
ALTURA DE LA M UESTRA (mm) 121
LECTURA 24 HORAS (mm) 9.52
LECTURA 48 HORAS (mm) 9.66
LECTURA 72 HORAS (mm) 9.78
LECTURA 96 HORAS (mm)
EXPANSION TOTAL (%) 0.24%
M UEST R A D ESP UES D E IN M ER SION
65
Fuente: Elaboración propia
Tabla 18. Apique 2 muestra analizada antes de la inmersión
Fuente: Elaboración propia
Tabla 19. Apique 2 muestra analizada después de la inmersión
Fuente: Elaboración propia
M OLD E N o .: 37
M ASA M OLDE (g): 4131
M ASA M OLDE + M UESTRA (g): 7453
M ASA M UESTRA HUM EDA (g): 3322
VOLUM EN M UESTRA (cm³): 2123
HUM EDAD NATURAL DE LA M UESTRA (%) 29.4
DENSIDAD SECA (kg/m³): 1209
C .B .R . A 0 ,100 pulg (%): 2.0
C .B .R . A 0 ,200 pulg (%): 1.8
So brecarga de penetracio n (kg) 10
M UEST R A A N T ES D E IN M ER SION
M OLD E N o .: 37
M ASA M OLDE (g): 4131
M ASA M OLDE + M UESTRA (g): 7947
M ASA M UESTRA HUM EDA (g): 3816
VOLUM EN M UESTRA (cm³): 2123
HUM EDAD NATURAL DE LA M UESTRA (%) 36.5
DENSIDAD SECA (kg/m³): 1317
C .B .R . A 0 ,100 pulg (%): 1.4
C .B .R . A 0 ,200 pulg (%): 1.4
So brecarga de penetracio n (kg) 10
LECTURA ANTES DE INM ERSIÓN (mm) 3.98
ALTURA DE LA M UESTRA (mm) 117
LECTURA 24 HORAS (mm) 4.06
LECTURA 48 HORAS (mm) 4.17
LECTURA 72 HORAS (mm) 4.21
LECTURA 96 HORAS (mm)
EXPANSION TOTAL (%) 0.20%
M UEST R A A N T ES D E IN M ER SION
66
Los resultados que arrojaron los laboratorios de CBR son, antes de la inmersión
de 1.2 % a 2.0 % para cada apique respectivamente, mientras que las muestras
en inmersión arrojaron valor de 0.7% a 1,4 %. Según Montejo en su libro de
Ingeniería de pavimentos para carreteras en el capítulo 5, título clasificación de
subrasante indican que cuando el CBR de la subrasante sea inferior a 2% este
requerirá un tratamiento especial de adecuación.
Debido a lo anterior se debe realizar un mejoramiento sobre la capa de subrasante
para esto se utiliza la fórmula de IVANOV la cual se define en el numeral 5.1.5.
7.1.2 Mejoramiento de la subrasante
Los cálculos del mejoramiento de la subrasante una vez aplicada la fórmula de
IVANOV se presentan en el ANEXO 4, el valor de CBR es tomado debido a el
promedio de los resultados obtenidos en los ensayos realizados en el laboratorio
continuación se muestra un resumen de los cálculos:
Tabla 20 Cálculos para mejoramiento de la subrasante según la fórmula de IVANOV
Fuente: Elaboración Propia
Para cada uno de los diseños se realizará un mejoramiento de la subrasante de 20
cm con material granular y así se podrá trabajar con un valor de CBR de 4.5%.
EINFERIOR ESUPERIOR
SUBRASANTEMATERIAL
GRANULARKg/cm2
1.40 20.0 165 1104
CBR
n n3.5 h1(cm) h1 / 2a tan-1(n*h1/2a) 1-(1/n3.5) 2/ 2/ *J*I Eequiv CBRequiv
(rad) Kg/cm2
0.95 3794.52.14 14.27 20.0 0.66 0.93 0.64 0.56
CBR EQUIVALENTE = 4.5 %
E EQUIVALENTE = 378.8 kg/cm²
SISTEMA EQUIVALENTE
67
7.2 CARGA VEHICULAR
7.2.1 Cálculo de Tránsito
Para esta fase metodológica se debe establecer condiciones de estudio:
Un aforo, vehicular estableciendo horas pico y valles para poder determinar
el flujo de vehículos que transitan por la zona de estudio.
Una vez con los datos se procede al cálculo de factor camión utilizando como
referencia datos estándar tanto de la norma INVIAS como los MOPT.
INGEROUTE y por el propuesto por la Universidad del Cauca.
Estos datos se encuentran presente en el ANEXO 2
7.2.2 Aforos vehiculares
La información acopiada durante la toma de datos en campo, se tabuló cada
treinta minutos (30 min) con base en los volúmenes registrados por cada
movimiento. El resumen de dichos resultados se presenta en el ANEXO 2 del
presente documento de acuerdo con todos los movimientos aforados.
ACCESO OCCIDENTE:
Ilustración 13 Movimientos aforo
Fuente: Elaboración Propia.
Movimiento 1: Occidente. Oriente.
Duración de conteo cada 30 min.
ACCESO ORIENTE:
Movimiento 1: Oriente- Occidente.
Duración de conteo cada 30 min.
68
En el presente capítulo se realizan los cálculos de acuerdo con la Información
recopilada en el aforo realizado el 13 y 18 de febrero del 2016.
Gráfica 1 Volúmenes vehicular periodo de 30 minutos valores totales.
Fuente: Elaboración Propia.
69
Gráfica 2 Volúmenes vehiculares horaria Movimiento 1 total accesos.
Fuente: Elaboración Propia.
Se determinó que la vía tiene una alta densidad vehicular como consecuencia del
horario en que se realizó el aforo, correspondiente de las 6:00 a.m. a las 7:00
p.m., por lo cual, los vehículos que circulan por esta zona pueden transitar a
velocidades lentas dado que converge un cruce de oriente hacia el sur y del
occidente hacia sur, además por el estado en que se encuentra la vía.
La carrera 12B presenta una alta capacidad de alojamiento vehicular debido a los
carriles sentido Occidente-Oriente, la demanda de esta vía debido al horario es
mejor a lo que debería trabajar.
7.2.3 Cálculo factor camión
Se entiende por factor camión al número de aplicaciones de ejes sencillos con
carga equivalente de 8.2 toneladas, correspondientes al paso de un vehículo
comercial (bus o camión).
De acuerdo al procedimiento mencionado en el numeral 5.1.2 y el ANEXO 2, en
los diseños será determinado mediante el método MOPT. INGEROUTE.
70
Si bien el pesaje constituye el medio más preciso para determinar las
características de equivalencia del tránsito real con respecto a ejes sencillos de
8.2 toneladas, lo costoso que resultan estos estudios impide efectuarlos para
todos los diseños de pavimento que se deseen desarrollar.
Se procede a realizar el cálculo y la distribución de los camiones con el cálculo
obtenido de los datos de aforos relacionados y presentados en el ANEXO 2.
Tabla 21 Distribución de Camiones
DISTRIBUCIÓN CAMIONES
TIPO % # VH Factor
C-2 49,19% 666 1,40
C-3 21,49% 291 2,40
C-3-S1 7,46% 101 3,67
C-3-S3 21,86% 296 5,00
Fuente: Elaboración Propia.
Una vez iterados los datos, se procede a realizar el despeje de la Ecuación 5
arrojando los siguientes resultados:
Tabla 22 Cálculos del factor Camión
Factor Camión Total
Factor Camión Total 1.83
Fuente: Elaboración Propia.
7.2.4 Número de ejes equivalentes
El número de ejes equivalentes será calculado como se indicó en el numeral 5.1.3.
A continuación se muestra el cálculo realizado para este ítem, sin embargo, la
memoria de cálculo es presentada en el ANEXO 3. El TPD realizado en el numeral
se indica la cantidad de vehículos que pasarán en la vía un día en su vida de
diseño. A continuación en la Tabla 23 se muestra el resultado de la multiplicación
entre la carga de cada uno de los ejes y la cantidad de vehículos de esa
denominación que transitan sobre la vía de diseño.
Fc 𝑨 𝑭𝑬 𝑩 𝑭𝑬
∑𝑨 𝑩
71
Tabla 23 TPD y cargas de los vehículos
Fuente: Elaboración Propia.
Con base a la anterior información se puede determinar que la cantidad de
vehículos que pasarán sobre la vía en un día será de 396.
El periodo de diseño seleccionado será de 10 años, debido a que la AASHTO
menciona que deberá ser mayores estudios realizados a lo largo de los años
recomienda este periodo.
Adicional a lo que se calculó se debe indicar cuál es el factor de crecimiento
durante los años de diseño que se adoptaron, en esta ocasión fueron 10 años.
Para el factor de crecimiento se investigó el desarrollo del contrato IDU-163-05 el
cual fue desarrollado entre el IDU y la firma CIVILTEC ingenieros LTDA el objeto
del contrato fue “Estudios y Diseños para la Construcción, Evaluación para la
Rehabilitación y Actualización de Estudios de Accesos a Barrios y Pavimentos
locales – Grupo, en Bogotá D.C.”
De allí se adoptó los valores de factor de crecimiento indicados en la zona de
Bosa y Kennedy, de allí se extrae que el valor de crecimiento será de un 4.22 %.
Para la determinación del tránsito atraído se consultó el contrato IDU-234
desarrollado entre el IDU y la compañía Consorcio ACI LTDA – SEDIC S.A.
contrato que tiene por objeto “Estudios y diseños de pavimentos locales y accesos
Cargas por
eje
(Ton)
TPD0
Cargas de
vehiculos
(Ton/eje)
3.5 33 116.3
3.4 83 280.3
3.5 76 267.9
4.9 40 194.1
8.2 40 322.0
9.5 22 209.9
6.1 103 628.3
396
6(S)+22(T)+24(T)
C4
C5
6(S)+11(S)
5(S)+11(S)
6(S)+11(S)
6(S)+22(T)
6(S)+11(S)+22(T)
6(S)+22(T)+22(T)
C6
Tipo de Vehículo Cargas por Eje
Buses
C2P
C2G
C3
72
a barrios en las localidades de Engativá, Kennedy y Fontibón de Santa Fe de
Bogotá”.
En este informe se indica que debido a que la gran mayoría de vías se encuentran
desarrolladas y debido a su topografía y geografía, las mismas no se presentarán
mayores evoluciones, por lo tanto, se escogió para sus diseños un 2% para el
transito atraido.
El factor por distribución de carril según la Tabla 5 será de 100 %, debido a que el
número de carriles que se está calculando es de 1.
Es importante tener en cuenta que el número de ejes equivalentes calculados es
un dato importante el cual nos indica, cuál será la carga total que pasara sobre la
vía a diseñar, por esto es importante siempre este factor con esto se podrá
analizar el soporte que deberá tener la estructura.
Evaluar el diseño de la estructura de pavimento bajo el método AASHTO y
Shell.
7.3 EVALUACIÓN DEL DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO BAJO
EL MÉTODO SHELL Y AASTHO
7.3.1 Método de Shell
Para la realización del diseño de pavimento flexible de este proyecto se tienen en
cuenta los siguientes datos:
a) Periodo de diseño (10 años).
b) El tránsito. El número de ejes equivalentes de 8.2 toneladas, para este
proyecto es de 3.584.592 ejes. (Ver ANEXO 3)
c) La temperatura. Con la ayuda de la información encontrada en la
página Web del IDEAM, se realiza el cálculo de la Temperatura media
mensual del aire.
73
Tabla 24 Temperatura promedio registrada en Bogota año 2015
MES MMAT,C°
Enero 13,4
Febrero 14,1
Marzo 14,3
Abril 14,5
Mayo 14,6
Junio 14,1
Julio 14
Agosto 14,2
Septiembre 14,1
Octubre 14,2
Noviembre 14,5
Diciembre 13,9
Fuente: Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales de Colombia, IDEAM
7.3.2 Aplicación del método Shell
7.3.2.1 Factor de Ponderación.
Para el cálculo de la temperatura media mensual del aire, es necesario utilizar la
curva de ponderación de temperatura.
74
Ilustración 14. Grafica Factor de ponderación- MMAT
Fuente: SHELL INTERNATIONAL PETROLEUM COMPANY LIMITED. Manual de Diseño de Pavimentos. Londres: SHELL, 1985. 328 p.
Para cada temperatura de la
Tabla 24 se ingresa a la
75
Ilustración 14 , Curvas de ponderación de temperaturas, para el cálculo de factor
de ponderación y se encontraron los siguientes resultados:
Tabla 25 Calculo de factor de ponderación.
MES MMAT,C° Factor de
Ponderación
Enero 13,4 0,42
Febrero 14,1 0,47
Marzo 14,3 0,49
Abril 14,5 0,50
Mayo 14,6 0,51
Junio 14,1 0,47
Julio 14 0,46
Agosto 14,2 0,48
Septiembre 14,1 0,47
Octubre 14,2 0,48
Noviembre 14,5 0,5
Diciembre 13,9 0,45
Factor de ponderación
promedio. 14,2 0,48
Fuente: Elaboración propia.
El valor del factor de ponderación promedio es de 0,48. El valor de la temperatura
media anual es de 14,2 °C.
7.3.2.2 Cálculo del Módulo resiliente de la Subrasante.
Con el valor del CBR de la subrasante de 4.5%, se utiliza la siguiente expresión:
(
) Ecuación 22
Mr = 107 x4.5 % = 4.5 x 107 (
)
76
7.3.2.3 Determinación del índice de penetración y la temperatura T800 del asfalto.
El asfalto que se utiliza en las plantas de producción de mezcla asfáltica en la
Ciudad de Bogotá, tienen los siguientes valores de penetración y punto de
ablandamiento:
Asfalto 80-100
Características del asfalto.
Penetración original, 0.1mm: 70
Punto de ablandamiento, °C: 25
Características del asfalto envejecido en prueba de película delgada
Penetración residual, 0.1mm: 44
Punto de ablandamiento, °C: 41
Con los valores de penetración y punto de ablandamiento, para el asfalto
envejecido en prueba de película delgada, se procede a calcular el T800 y el
Índice de Penetración,
Ilustración 15. Nomograma para calcular el índice de penetración y la temperatura T800.
77
Fuente: MONTEJO, Alfonso. Ingeniería para pavimentos de carreteras. 2 ed. Bogotá: Universidad Católica 2001.p. 291
T800 = 41 °C y Ip = -0.8
7.3.2.4 Determinación del stiffness del asfalto a la temperatura de trabajo en obra.
Para la determinación del stiffness del asfalto se empleará la Ilustración 9. Se
requiere tener, el índice de penetración (Ip = -0.8) y el tiempo de aplicación de
carga. La Shell recomienda emplear un tiempo de 0.02 segundos que corresponde
a una velocidad de 50 – 60 km/hora. Así como el ∆t = T800 – Tmezcla, donde
Tmezcla es la temperatura de la mezcla que es función de la temperatura
ambiente y se obtiene el valor de Tmezcla = 32.5°C. Es decir que
Ecuación 23
78
Ilustración 16 Nomograma de Van Der Poel para determinar el modulo dinámico (Stiffness) del asfalto.
Fuente: ARENAS LOZANO, Hugo León. Tecnología del cemento asfáltico. 5 ed. Popayán: Unicauca, 2005. p. 197.
7.3.3 Determinación del stiffness de la mezcla asfáltica.
Se emplea la Ilustración 16 y para ello es necesario conocer, además del Stiffness
del Asfalto (3 x 106 N/m2), la composición volumétrica de la mezcla asfáltica con el
diseño de ella en el laboratorio. Para el caso de las mezclas asfálticas utilizadas
en la ciudad de Bogotá, se realizó un estimativo según el Diseño Marshall de la
siguiente composición, adicional esto se estima emplear un tiempo de 0.02
segundos que corresponde a una velocidad de 50 – 60 km/hora:
% Agregados 85.6
% Asfalto efectivo 11.3
% Vacíos con aire 3.1
5 Hz
79
Ilustración 17. Nomograma para el cálculo del módulo dinámico (Stiffness) de las mezclas asfálticas
Fuente: MONTEJO, Alfonso. Ingeniería para pavimentos de carreteras. 2 ed. Bogotá: Universidad Católica 2001.p. 295
El valor obtenido del módulo dinámico de la mezcla asfáltica es de 8.9 x 108 N/m2.
7.3.4 Determinar si la mezcla es del tipo S1 o S2
Para identificar el código de la mezcla se hace necesario emplear la Ilustración 18
en la cual se ubica el punto de convergencia del stiffness del asfalto y de la
mezcla.
Ilustración 18 Relaciones entre la rigidez de la mezcla y la rigidez del asfalto.
80
Fuente: MONTEJO, Alfonso. Ingeniería para pavimentos de carreteras. 2 ed. Bogotá: Universidad Católica 2001.p. 297
Con el stiffness del asfalto de 3 x 10 ᶺ 6 N/m2 y el stiffness de la mezcla de 8.9 x
10ᶺ 8 N/m2. Se observa que el punto de convergencia se encuentra más cercano
a la curva S1, por lo que este es el tipo de mezcla que se adoptara.
Determinación de la deformación máxima admisible de tracción en la fibra inferior
de las capas asfálticas:
Se emplea la Ilustración 19 se entra a ella con módulo de elasticidad dinámica de
8.9 x 10ᶺ 8 N/m2, volumen del asfalto (11.3%) se prolonga la línea que los une
hasta el marco del cuadro, posteriormente se traza una horizontal hasta hallar la
recta que corresponde al tránsito expresado como N de allí se traza una vertical
hasta hallar en la abscisa inferior la deformación horizontal por tracción que es
εt = 3.7 x 10-4%
Ilustración 19 Nomograma de fatiga basado en Smix y Vb
3X106
8.9X108
81
Fuente: MONTEJO, Alfonso. Ingeniería para pavimentos de carreteras. 2 ed. Bogotá: Universidad Católica 2001.p. 298
Ilustración 20 Características de fatiga para asfalto tipo F1 y para asfalto tipo F2
82
Fuente: MONTEJO, Alfonso. Ingeniería para pavimentos de carreteras. 2 ed. Bogotá: Universidad Católica 2001.p. 298
Se escoge el valor más aproximado al número de ejes equivalentes para este
caso se adopta el F1 dado que está más cerca al valor mencionado anteriormente.
7.3.5 Identificación del código total de la mezcla.
Teniendo en cuenta los resultados de los códigos de rigidez y de fatiga de la
mezcla, se concluye que la mezcla es del tipo S1-F1, código al que se debe
adicionar, el tipo de asfalto con base en la penetración obtenida. Para el asfalto
utilizado en los procedimientos anteriores se tiene una penetración residual de 44
(1/10mm) para 25 °C, se adopta el valor de 50, debido a que solo existe elección
entre 50 o 100. Por lo que se obtiene un tipo de mezcla con el siguiente código:
S1 – F1 – 50
83
7.3.6 Diseño Estructural
7.3.7 Empleo de las gráficas de diseño
En una gráfica SHELL los espesores necesarios de las diversas capas del
pavimento se hallan en base a cuatro parámetros:
a) Tránsito expresado, como N, el cual varía entre 10.000 ejes y 100.000.000
ejes.
b) Clima, evaluado por la temperatura media anual ponderada del aire y
presenta valores para (4° - 12° - 20° - 28°C).
c) Módulo de elasticidad de la subrasante de 2.5, 5 x 107, 1, 2 x 108 N/m2
tendrá equivalencia en CBR 2.5, 5, 10 y 20% respectivamente.
d) Código de la mezcla (ocho en total).
En cualquier grafica de diseño tres de los valores son constantes y el otro variable
y por lo tanto, deberá escogerse una gráfica de diseño apropiada en función de los
datos que se dispongan.17
Para el caso de este diseño el resumen de los parámetros es el siguiente:
a. N = 1,861 ejes
b. Módulo de elasticidad de la subrasante 4.5 x 107 (N/m2)
c. Código de la mezcla: S1 – F1 – 50.
Alternativa 1: Inicialmente se toma de la Carta HN 49 y los valores de las
dimensiones de la capa de asfalto para un Número de ejes equivalentes de
3.584.592
17 ASPHALT INSTITUTE. Asphalt Paving Manuals Resurfacing and Asphalt Concrete Paving Mix
Design Methods for Hot-Mix Asphalt Paving Construction of Hot Mix Asphalt Pavements. Washington: Asphalt Institute, 2008. p. 49.
84
Ilustración 21 Carta HN49
Fuente: MONTEJO, Alfonso. Ingeniería para pavimentos de carreteras. 2 ed. Bogotá: Universidad Católica 2001.p. 303
Se identifican los Siguiente Valores:
Interpolaciones para las condiciones del proyecto:
a. N = 1.861 ejes
b. Módulo de elasticidad de la subrasante : 4.5 x 107 (N/m2)
c. Código de la mezcla: S1 – F1 – 50.
Tabla 26 Propuestas de alternativas de capas método Shell
ALTERNATIVA N°
ESPESOR DE LAS CAPAS GRANULARES, h2(mm)
ESPESOR DE LA CAPA ASFÁLTICA,
h1(mm) CBR≥20 CBR≥80
1 - 540 170
2 260 370 130 Fuente: Elaboración Propia
85
Tabla 27 Estructura de pavimento diseñada a partir del método SHELL Alternativa 1
Fuente: Elaboración propia
Tabla 28 Estructura de pavimento diseñada a partir del método SHELL Alternativa 1
Fuente: Elaboración propia
86
7.4 MÉTODO DE AASHTO
7.4.1 Características de la rigidez de las capas
7.4.1.1 Capa Asfáltica
Índice de penetración: Se utiliza la fórmula de Pfeifer los datos de
temperatura y penetración, se obtiene que la susceptibilidad térmica del
asfalto es (A)
El T800 en el nomograma para calcular el índice de penetración y la T800
arroja el valor de 41°
Por lo cual el índice de penetración será:
( )
( )
Diferencia de temperatura (∆T): Diferencia entre T800 y la temperatura de
la mezcla asfáltica, que para la AASHTO es fija de 20 °C.
Módulo dinámico (Sb): Se utiliza el nomograma de Van der Poel con los
siguientes datos
Tiempo de carga: 0.02 seg
Diferencia de temperatura: 21°C
Índice de penetración: -3
87
Ilustración 22 Nomograma de Van der Poel para determinar el módulo de rigidez del asfalto
Fuente: SHELL INTERNATIONAL PETROLEUM COMPANY LIMITED. Shell pavement design manual – asphalt pavements and overlays for road traffic. Londres, 1978. p. A-2
Módulo de rigidez: Sb= 4.0 x 107 N/m2
Modulo dinámico de la mezcla (Smix): Se utilizará el nomograma de Bonnaure,
donde se tendrán en cuenta los siguientes datos:
Para el caso de las mezclas asfálticas utilizadas en la ciudad de Bogotá, se realizó
un estimativo según el Diseño Marshall de la siguiente composición:
% Agregados 85.6
% Asfalto efectivo 11.3
% Vacíos con aire 3.1
88
Ilustración 23 Nomograma para el cálculo del módulo dinámico de mezclas asfálticas
Fuente: SHELL INTERNATIONAL PETROLEUM COMPANY LIMITED. Shell pavement design manual – asphalt pavements and overlays for road traffic. Londres, 1978. p. A-4
Módulo de rigidez de la mezcla es Smix= 5 x 109 N/m2
La relación de Poisson de se adopta es de 0.35
7.4.1.2 Base tratada con emulsión asfáltica
Modulo dinámico de la base estabilizada con emulsión (Ebee): Con un módulo
dinámico del asfalto Sb= 4.0 x 107 N/m2, para una mezcla abierta de baja rigidez
con asfalto de penetración 100 1/100 mm (Tipo S2-100) y con ayuda de la carta
M-1 de la Shell.
89
Ilustración 24 Carta M-1: Clasificación de la rigidez de la mezcla en función de la rigidez de la mezcla y el asfalto
Fuente: SHELL INTERNATIONAL PETROLEUM COMPANY LIMITED. Shell pavement design manual – asphalt pavements and overlays for road traffic. Londres, 1978. p. 59
El modulo dinámico de la base estabilizada es Ebee= 2.0 x 109 N/m2
7.4.1.3 Base granular y Subbase granular
Según el valor de numero de ejes equivalentes donde el resultado de su cálculo es
3.584.592 según Instituto de Desarrollo Urbano (IDU) se debe determinar en qué
rango de transito se encuentra el número de ejes equivalentes, para este caso y
según la Tabla 6 el transito se clasifica como T3, con este tránsito se puede definir
el tipo de base y subbase granular que se debe utilizar para el diseño, según la
Tabla 7 en la clasificación que se encuentra el transito se podrá utilizar una base
granular tipo BG-B y como subbase granular SBG-B.
90
Debido al tipo de base y subbase el IDU indica que debe tener un porcentaje
mínimo de CBR, de la siguiente manera:
Tabla 29. Base y Subbase granular
Material CBR
%
E
(kg/cm2)
Base granular 100% 2,109
Subbase granular 40% 1,265
Fuente: Elaboración propia
7.4.2 Coeficientes estructurales de las capas
Coeficiente de la capa asfáltica (a1): Se tiene el módulo de elasticidad de
50,985 Kg/cm2 = 725000 lb/in2 según la Ilustración 25 el coeficiente será de
0.46
Ilustración 25 Grafica para hallar a1 en función del módulo resiliente del concreto asfáltico.
Fuente: Montejo, Alfonso. Ingeniería para pavimentos de carreteras. pp. 268
91
Coeficiente estructural de la capa de base asfáltica (a2): Se tiene el módulo
de elasticidad de 20394 Kg/cm2 = 290000 lb/in2 según la Ilustración 26 el
coeficiente será de 0.26
Ilustración 26 Variación de coeficiente a2 en bases tratadas con asfalto para diferentes parámetros de resistencia.
Fuente: Montejo, Alfonso. Ingeniería para pavimentos de carreteras. pp. 272
Coeficiente estructural de la capa de base granular (a3): Se tiene un valor
de CBR de 100% según la Ilustración 27 el coeficiente será de 0.14
92
Ilustración 27 Variación de coeficiente a2 con diferentes parámetros de resistencia de la base granular.
Fuente: Montejo, Alfonso. Ingeniería para pavimentos de carreteras. pp. 269
Coeficiente estructural de la capa de base granular (a4): Se tiene un valor
de CBR de 60% según la Ilustración 28 el coeficiente será de 0.13
93
Ilustración 28 Variación de coeficiente a4 con diferentes parámetros de resistencia de la subbase granular.
Fuente: Montejo, Alfonso. Ingeniería para pavimentos de carreteras. pp. 273
7.4.3 Condiciones de drenaje
Según la Tabla 10 y la Tabla 11 se considera que la calidad de drenaje para la
base granular será bueno y para la subbase granular será aceptable para ambos
casos se indica que el tiempo al que estará expuesta la estructura será mayor al
25%. Por lo tanto, los coeficientes de drenaje recomendados son:
Base granular: m3 = 1.0
Subbase granular m4 = 0.80
94
7.4.4 Determinación del número estructural
Nivel de confiabilidad: Según la Tabla 12 se tomara como vía urbana y como una
arteria principal por lo cual sus valores de confiabilidad serán de 80 – 99 %, por lo
cual se tomará el valor del 90%.
Desviación estándar: La desviación estándar desarrollado por la AASHTO será de
0.45
Nivel de Serviciabilidad: De acuerdo con los ensayos realizados por la AASHTO,
recomiendan un valor de Serviciabilidad inicial de Po= 4.2 y una Serviciabilidad
final de Pt= 2.0. Por lo tanto y aplicando la ecuación obtendremos:
Módulo resiliente de la subrasante: Para un CBR de 4.5 % se estima que el
módulo resiliente de la subrasante (Mr) es:
7.4.5 Chequeo del número estructural
El chequeo del número estructura se realiza con la ayuda de dos programas, el
primero de ellos es el AASHTO 93 el cual fue desarrollado por el Ingeniero Luis
Ricardo Vásquez Varela en el año 2000 en Manizales, el cálculo se muestra a
continuación:
95
Ilustración 29 Programa Ecuación AASHTO 93
Fuente: Elaboración Propia
El número estructural seleccionado será de 4.23.
Se indican diferentes espesores de capas por lo cual es importante realizar la
comparación del número estructural hallado mediante el programa y el número
estructural del pavimento.
Tabla 30 Resumen de diseño de pavimentos AASHTO
Fuente: Elaboración Propia
a1 0.46 3.94 1.81
a2 0.26 3.94 1.02
a3 0.14 5.91 0.83
a4 0.13 7.87 0.82
21.65 4.48
Coeficiente
capa
Espesor
capa (in)SN
96
SNTránsito = 4.23 < SNEstructura = 4.48, Cumple
Tabla 31 Estructura de pavimento diseñada a partir del método AASHTO Alternativa 3
Fuente: Elaboración Propia
97
7.5 ESFUERZOS, DEFORMACIONES Y DEFLEXIONES ADMISIBLES PARA
ESTRUCTURAS DE PAVIMENTO FLEXIBLE.
La estructura de pavimento diseñada se debe chequear por medio del método
racional, con el propósito de verificar que los esfuerzos, deformaciones y deflexión
críticos no superen valores admisibles18
Ley de fatiga de la Shell se expresa de la siguiente manera:
( ) (
)
Ecuación 24
Información necesaria para determinar los esfuerzos, deformaciones y deflexión
admisibles para la estructura se presenta a continuación:
Tránsito, N = 3.584.592 eje equivalente de 8.2
Nivel de Confianza Shell, NC= 85%
Capacidad de soporte de la Subrasante, CBR = 4,5 % =45 MPa= 450
kg/cm2
Porcentaje de volumen de asfalto de la mezcla, Vb = 11,3 %
Modulo dinámico de la capa asfáltica, Smix =8,89 x108 N/m2=8890 Mpa.
Coeficiente de Calage, K= k1 x k2 x k3 = 10 X 2,5 X 0,33 = 8,25.
De acuerdo a las ecuaciones 13, 14, 15, 16, 17,18 y 19 mencionadas
anteriormente y con los datos admisibles se procede a calcular y despejar cada
ítem determinando la Tabla 32 Esfuerzos, deformación y deflexión admisibles
para el diseño por el método Shell
18 Nociones sobre los métodos de diseño. Op. Cit, p.35.
98
Tabla 32 Esfuerzos, deformación y deflexión admisibles para el diseño por el método Shell
CRITERIO PARÁMETRO VALOR
Shell Deformación radial admisible de tracción en la base
de la capa asfáltica, r adm 2,584x10-4
Shell (NC=85%) Deformación vertical admisible de compresión
sobre la subrasante r adm 3,046x10-4
CRR de Belgica Esfuerzo vertical admisible de compresión sobre la
subrasante 0,455
Dormon-Kerhoven
Esfuerzo vertical admisible de compresión sobre subrasante
0,302
Huang Deflexión admisible en la superficie de la estructura
de pavimento. 0,113
Fuente: Elaboración Propia.
7.5.1 Esfuerzos, deformación y deflexión admisibles de la estructura
diseñada por el método Shell
Utilizando el programa DEPAV de la Universidad del Cauca, se determinan los
esfuerzos, deformaciones y deflexiones en cualquier punto del modelo estructural.
Tabla 33 Esfuerzos, deformación y deflexión de la estructura diseñada por el método Shell.
CRITERIO ALTERNATIVA DEFORMACIONES (mm/mm) Esfuerzo
Vertical , 0z (kg/cm2)
Deflexión Ʌz (mm) Radiales Verticales
DEPAV 1 1,68x10-5 1,040x10-4 6,08X102 0,735
2 7,45X10-5 1,130x10-4 7,11X102 0,543
Fuente: Elaboración Propia.
A continuación se presentan los reportes de los resultados obtenidos con el
programa DEPAV.
99
7.5.1.1 Alternativa 1
El programa DEPAV permite realizar análisis de deformaciones a la estructura
diseñada de pavimento flexible, dicho software es utilizado en el proyecto para
realizar un análisis detallado de las deformaciones presentadas en cada estructura
diseñada y para ello se utilizarán los parámetros indicados por los creadores del
mismo para su óptimo funcionamiento:
Radio de curvatura: 10.78cm
Presión de contacto: 5.61 kg/cm2
Distancia entre llantas: 32.41 cm
Módulos de elasticidad Ei en kilogramos por centímetro cuadrado de las
distintas capas.
Relaciones de Poisson µi de las distintas capas
Espesores de las capas Hi
Tipo de interfase entre las capas
Tabla 34 Datos de interfase entre las capas Alternativa 1
Fuente: Elaboración propia
Material E (Kg/cm2) n H (cm) Ligada / No
Concreto Ásfaltico 9075 0.35 17 L
Base Granular 8157 0.50 54 L
Subrasante 450 0.50
100
Ilustración 30 .Datos entrada Estructura propuesta.
Fuente: Captura Programa DEPAV, Elaboración propia.
Ilustración 31 . Datos calculados
Fuente: Captura Programa DEPAV, Elaboración propia.
7.5.1.2 Alternativa 2.
El programa DEPAV permite realizar análisis de deformaciones a la estructura
diseñada de pavimento flexible, dicho software es utilizado en el proyecto para
realizar un análisis detallado de las deformaciones presentadas en cada estructura
diseñada y para ello se utilizarán los parámetros indicados por los creadores del
mismo para su óptimo funcionamiento:
101
Radio de curvatura: 10.78cm
Presión de contacto: 5.61 kg/cm2
Distancia entre llantas: 32.41 cm
Módulos de elasticidad Ei en kilogramos por centímetro cuadrado de las
distintas capas.
Relaciones de Poisson µi de las distintas capas
Espesores de las capas Hi
Tipo de interfase entre las capas
Tabla 35 Datos de interfase entre las capas Alternativa 2
Fuente: Elaboración propia
Ilustración 32 Datos entrada Estructura propuesta.
Fuente: Captura Programa DEPAV, Elaboración propia.
Material E (Kg/cm2) n H (cm) Ligada / No
Concreto Ásfaltico 9075 0.35 13 L
Base Granular 8157 0.40 37 L
Subbase Granular 2039 0.40 26 L
Subrasante 450 0.50
102
Ilustración 33 Datos calculados
Fuente: Captura Programa DEPAV, Elaboración propia.
Ilustración 34 Datos calculados
Fuente: Captura Programa DEPAV, Elaboración propia.
7.5.1.3 Comparación de las solicitudes calculadas con las admisibles.
En la Tabla 36 Porcentaje de solicitaciones de la estructura diseñada por el
método Shell se presenta la comparación entre los esfuerzos, las deformaciones y
deflexiones de servicio con respecto a las admisibles y el porcentaje de
103
solicitación definido como la relación porcentual entre los valores del servicio
(calculados) y los valores Admisibles.
Tabla 36 Porcentaje de solicitaciones de la estructura diseñada por el método Shell
CAPA PARAMETRO VALOR
SERVICIO VALOR
ADMISIBLE SOLICITACION
%
Alt
ern
ati
va
N°1
Capa Asfaltica
ɛr 6,54x10^-4 < 2,584x10-4 40%
Subrasante ɛr 1,040x10-4 < 3,046x10-4 34%
α 0,112 < 0,45 24%
α 0,112 < 0,302 36%
Estructura Ʌz 0,753 < 0,664 113%
Alt
ern
ati
va
N°2
Capa Asfaltica
ɛr 7,45x10-5 < 2,584x10-4 34%
Subrasante ɛr 1,13x10 < 3,046x10-4 37%
α 0,127 < 0,45 28%
α 0,127 < 0,302 42%
Estructura Ʌz 0,543 < 0,664 81%
Fuente: Elaboración Propia.
Comparando las deformaciones admisibles vs las deformaciones de servicio o
calculadas, los valores admisibles deben ser mayores tanto en sus capa asfáltica
como en su estructura, cumpliendo así con el criterio de control de fatiga y
ahuellamiento, es decir los valores calculados de servicio son menores a los
valores de fatiga (admisibles), por lo tanto, el dimensionamiento de la estructura
de pavimento por el método Shell es adecuado para los rangos de Subrasante y
transito considerado.
104
7.5.2 Esfuerzos, deformación y deflexión admisibles de la estructura
diseñada por el método AASHTO
Información necesaria para determinar los esfuerzos, deformaciones y deflexión
admisibles para la estructura se presenta a continuación:
Tránsito, N = 3.584.592 ejes equivalentes
Nivel de Confianza Shell, NC= 85%
Capacidad de soporte de la Subrasante, CBR = 4,5 % =45 MPa= 450
kg/cm2
Porcentaje de volumen de asfalto de la mezcla, Vb = 11,3 %
Modulo dinámico de la capa asfáltica, Smix =5.0 x 109 N/m2
Coeficiente de Calage, K= k1xk2xk3= 10 X 2,5 X 0,33= 8,25.
De acuerdo a las ecuaciones, 13, 14, 15, 16, 17,18 y 19 mencionadas
anteriormente y con los datos admisibles se procede a calcular y despejar cada
ítem determinando la Tabla 37 Esfuerzos, deformación y deflexión admisibles
para el diseño por el método
Tabla 37 Esfuerzos, deformación y deflexión admisibles para el diseño por el método AASTHO.
CRITERIO PARÁMETRO VALOR
Shell Deformación radial admisible de tracción en la
base de la capa asfáltica, r adm 2,584x10-4
Shell (NC=85%)
Deformación vertical admisible de compresión
sobre la subrasante r adm 3,046x10-4
CRR de Belgica Esfuerzo vertical admisible de compresión sobre
la subrasante 0,455
Dormon-Kerhoven
Esfuerzo vertical admisible de compresión sobre subrasante
0,302
Huang Deflexión admisible en la superficie de la
estructura de pavimento. 0,662
Fuente: Propia, Elaboración del Autor.
Utilizando el programa DEPAV de la Universidad del Cauca, se determinan los
esfuerzos, deformaciones y deflexiones en cualquier punto del modelo estructural.
105
Tabla 38 Esfuerzos, deformación y deflexión de la estructura diseñada por el método Shell.
CRITERIO ALTERNATIVA
DEFORMACIONES (mm/mm)
Esfuerzo Vertical ,
0z (kg/cm2)
Deflexión Ʌz (mm)
Radial, Er Vertical, Ez
DEPAV 3 1,68x104 2,42x104 2,82x101 0,40
Fuente: Elaboración Propia.
A continuación se presentan los reportes de los resultados obtenidos con el
programa DEPAV.
7.5.2.1 Alternativa 3
El programa DEPAV permite realizar análisis de deformaciones a la estructura
diseñada de pavimento flexible, dicho software es utilizado en el proyecto para
realizar una análisis detallado de las deformaciones presentadas en cada
estructura diseñada y para ello se utilizarán los parámetros indicados por los
creadores del mismo para su óptimo funcionamiento:
Radio de curvatura: 10.78cm
Presión de contacto: 5.61 kg/cm2
Distancia entre llantas: 32.41 cm
Módulos de elasticidad Ei en kilogramos por centímetro cuadrado de las
distintas capas.
Relaciones de Poisson µi de las distintas capas
Espesores de las capas Hi
Tipo de interfase entre las capas
106
Tabla 39 Datos de interfase entre las capas Alternativa 3
Fuente: Elaboración propia
Ilustración 35 . Datos entrada Estructura propuesta.
Fuente: Captura Programa DEPAV, Elaboración propia.
Material E (Kg/cm2) n H (cm) Ligada / No
Carpeta Asfáltica 50,985 0.35 10 L
Base Tratada con
emulsion Asfaltica20,394 0.35 10 L
Base Granular 2,109 0.40 15 L
Subbase Granular 1,265 0.40 20 L
Subrasante 450 0.45
107
Ilustración 36 Datos calculados
Fuente: Captura Programa DEPAV, Elaboración propia.
Ilustración 37 Datos calculados
Fuente: Captura Programa DEPAV, Elaboración propia.
7.5.2.2 Comparación de las solicitudes calculadas con las admisibles.
En la Tabla 40 Porcentaje de solicitaciones de la estructura diseñada por el
método se presenta la comparación entre los esfuerzos, las deformaciones y
deflexiones de servicio con respecto a las admisibles y el porcentaje de
108
solicitación definido como la relación porcentual entre los valores del servicio
(calculados) y los valores Admisibles.
Tabla 40 Porcentaje de solicitaciones de la estructura diseñada por el método AASHTO
CAPA PARAMETRO VALOR SERVICIO
VALOR ADMISIBLE
SOLICITACION %
Alt
ern
ati
va
N°3
Capa Asfaltica
ɛr 1,68x104 < 2,584x10-4 65%
Subrasante
ɛr 2,42 x104 < 3,046x10-4 79%
α 0,114 < 0,45 25%
α 0,114 < 0,302 38%
Estructura Ʌz 0,4 < 0,662 60%
Fuente: Elaboración Propia.
Comparando las deformaciones Admisibles Vs las deformaciones de servicio o
calculadas, los valores admisibles deben ser mayores tanto en sus capa asfáltica
como en su estructura, cumpliendo así con el criterio de control de fatiga y
ahuellamiento, es decir los valores calculados de servicio son menores a los
valores de fatiga (admisibles), por lo tanto, el dimensionamiento de la estructura
de pavimento por el método AASTHO es adecuado para los rangos de
Subrasante y transito considerado.
7.6 COMPARACION ESFUERZOS, DEFORMACIÓN Y DEFLEXIÓN
ADMISIBLES DE LA ESTRUCTURA DISEÑADA POR EL MÉTODO
AASHTO Y SHELL
A continuación se hace una comparación de los esfuerzos, deformaciones y
deflexiones admisibles de la estructura para cada uno de los métodos de análisis.
109
Tabla 41 Esfuerzos, deformación y deflexión admisibles para el diseño por el método SHELL Y AASTHO
CAPA PARAMETRO VALOR
SERVICIO VALOR
ADMISIBLE SOLICITACION
%
Alt
ern
ati
va
N°1
Capa Asfaltica
ɛr 6,54x10^-4 < 2,584x10-4 40%
Subrasante ɛr 1,040x10-4 < 3,046x10-4 34%
α 0,112 < 0,45 24%
α 0,112 < 0,302 36%
Estructura Ʌz 0,753 < 0,664 113%
Alt
ern
ati
va
N°2
Capa Asfaltica
ɛr 7,45x10-5 < 2,584x10-4 34%
Subrasante ɛr 1,13x10 < 3,046x10-4 37%
α 0,127 < 0,45 28%
α 0,127 < 0,302 42%
Estructura Ʌz 0,543 < 0,664 81%
Alt
ern
ati
va
N°3
Capa Asfaltica
ɛr 1,68x10-4 < 2,584x10-4 65%
Subrasante
ɛr 2,42 x10-4 < 3,046x10-4 79%
α 0,114 < 0,45 25%
α 0,114 < 0,302 38%
Estructura Ʌz 0,396 < 0,664 60%
Fuente: Elaboración Propia.
De acuerdo con los valores contenidos en la Tabla 41, la estructura de referencia
se encuentra dentro de los valores de solicitación cumpliendo con los criterios de
diseños establecidos; por lo tanto, el dimensionamiento de la estructura de
pavimento flexible es el adecuado, en la alternativa 1 del método Shell se presenta
el índice más bajo de solicitación generando que no se presentes altas deflexiones
de servicio, haciendo que no se fatiguen de manera temprana y generando
debilidad estructural.
110
Gráfica 3. Deformación radial admisible de tracción en la base de la capa asfáltica
Fuente: Elaboración Propia.
Los valores de mayor deformación radial se presentan sobre la capa asfáltica del
método AASTHO, observando que el índice más bajo de solicitación esta para la
alternativa 1 del método SHELL lo cual genera que la estructura no presente
mayores deformaciones de servicio.
0.0000000
0.0005000
0.0010000
0.0015000
0.0020000
0.0025000
0.0030000
1 Shell 2 Shell 3 Aashto
ɛr
x 1
04
Número de Alternativas y método
Deformación radial admisible y actuante de tracción en la base de la capa asfáltica
Actuante
Admisible
111
Gráfica 4. Deformación vertical admisible de compresión sobre la subrasante
Fuente: Elaboración Propia.
La grafica nos permite observar que los valores calculados representados por el
modelo SHELL indican un nivel de confiabilidad del 85% al 95%, sin embargo el
porcentaje de solicitación para la deformación vertical admisible de la alternativa 1
es del 34% comprobando así que es la más idónea.
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
1 Shell 2 Shell 3 Aashto
σz (k
g/cm
2 )
Número de Alternativas y método
Esfuerzo vertical admisible y actuante de compresión sobre subrasante
Actuante
Admisible
112
Gráfica 5. Esfuerzo vertical admisible de compresión sobre la subrasante
Fuente: Elaboración Propia.
En la Gráfica 5 se evidencia comportamiento de los esfuerzos verticales en las
diferentes capas de la estructura del pavimento y en función de la profundidad
determinando que la tendencia del esfuerzo vertical es decreciente con el espesor
de la capa asfáltica del modelo estructural.
0.0000000
0.0000500
0.0001000
0.0001500
0.0002000
0.0002500
0.0003000
0.0003500
1 Shell 2 Shell 3 Aashto
ɛr
x 1
04
Número de Alternativas y método
Deformación vertical admisible y actuante de compresión sobre la subrasante
Actuante
Admisible
113
Gráfica 6. Deflexión admisible en la superficie de la estructura de pavimento
Fuente: Elaboración Propia.
En general, las capas que componen el modelo estructural tienen una deflexión
máxima de 0.753 (mm), de ahí se aprecia la importancia de la resistencia de la
subrasante para el diseño de una estructura de pavimento. Mientras la subrasante
sea más resistente, su deformación será menor, esto se evidencia comprobando
que el método 2 por SHELL es el más óptimo para la zona de estudio ya que la
deflexión presentada es baja y no sobrepasa el valor admisible.
Se puede llegar a concluir que la alternativa 2 es la más óptima debido a que
ningún valor sobrepasa los valores admisibles propuestos.
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
1 Shell 2 Shell 3 Aashto
0.753
0.543
0.396
0.664 0.664 0.664
Ʌz
(mm
)
Número de Alternativas y método
Deflexión admisible y actuante en la superficie de la estructura de pavimento
Actuante
Admisible
114
7.7 PRESUPUESTO
A continuación se hace una comparación de los presupuestos de cada una de las
alternativas planteadas, teniendo como base los precios del IDU (Instituto de
Desarrollo Urbano) con precios del primer trimestre del 2016.
115
ÍTEMDESCRIPCIÓN UNIDADCANTIDAD
VALOR
UNITARIO VALOR TOTAL
1 CAPITULO I. PRELIMINARES 17,617,979.78$
1.1 Campamento 18 m2 un 1 1,129,935.48$ 1,129,935.48$
1.2 Localización y replanteo m2 3500 2,507.35$ 8,775,723.60$
1.3Polisombra verde para cerramiento. Suministro
e instalación m2 3500 2,203.52$ 7,712,320.70$
2 EXCAVACIONES 206,839,052.14$
2.1Excavación a mecanica en material común
(incluye cargue)m3 4900 4,339.41$ 21,263,111.94$
2.2 Nivelación y compactación de subrasante m2 3500 960.95$ 3,363,320.80$
2.3
Estabilización de subrasante con rajon
(suministro, extendido, nivelación y
compactación)
m3 700 52,438.00$ 36,706,600.00$
2.4
Geotextil NT 7000 para separacion
subrasante/capas granulares (incluye
suministro e instalación)
m2 7000 20,786.57$ 145,506,019.40$
3 SUBBASE Y BASE 196,893,816.35$
3.1
Base granular clase c (BG_C) (suministro,
extendido, nivelación, humedecimiento y
compactación con vibrocompactador)
m3 1750 112,510.75$ 196,893,816.35$
4 PAVIMENTOS ASFALTICOS 285,410,625.85$
4.1Imprimacion con emulsion asfaltica crl-0
(suministro, barrido superficie y riego)m2 3500 1,830.04$ 6,405,147.70$
4.2
Mezcla Asfaltica en caliente tipo denso MD10
asfalto convencional (suministro, extendido,
nivelación y compactación)
m3 525 531,439.01$ 279,005,478.15$
5 SEÑALIZACION Y CONTROL DE TRANSITO 1,421,166,056.10$
5.1
Demarcacion linea continua a=0.12m
(e=2.3mm,termoplástica. inc. suministro y
aplicación con equipo. incl. microesferas)
m 500 4,130.46$ 2,065,232.40$
5.2
Demarcacion linea discontinua a=0.12m
(e=2.3mm,termoplástica. inc. suministro y
aplicación con equipo. incl. microesfera
m 500 4,130.46$ 2,065,232.40$
5.3
Demarcacion paso peatonal-cebra
(e=2.3mm,termoplástica. inc. suministro y
aplicación con equipo. inc microesferas)
m2 500 34,424.58$ 17,212,288.80$
5.4
Señal doble de 75cm, reflectivo alta densidad
tipo iv, en lámina galvanizada, pedestal en
ángulo sp/sr/si. suministro e instalación.
un 3500 399,949.52$ 1,399,823,302.50$
6 ACABADOS DE URBANISMO 42,079,867.20$
6.1
Bordillo prefabricado A80 (suministro e
instalación. incluye 3cm mortero de nivelación
2000 psi)
m 1000 42,079.87$ 42,079,867.20$
2,170,007,397.42$
607,602,071.28$
20% 434,001,479.48$
3% 65,100,221.92$
5% 108,500,369.87$
2,777,609,468.70$ VALOR TOTAL
Diseño método Shell Alternativa 1
ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE UNA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO FLEXIBLE EN UNA VÍA DE
TRAFICO PESADO, CASO PARTICULAR VÍA URBANA EN LA CIUDAD DE BOGOTÁ BARRIO SANTA CATALINA
COSTOS DIRECTOS
COSTOS INDIRECTOS
ADMINISTRACIÓN
IMPREVISTOS
UTILIDADES
116
ÍTEMDESCRIPCIÓN UNIDAD CANTIDAD
VALOR
UNITARIO VALOR TOTAL
1 CAPITULO I. PRELIMINARES 17,617,979.78$
1.1 Campamento 18 m2 un 1 1,129,935.48$ 1,129,935.48$
1.2 Localización y replanteo m2 3500 2,507.35$ 8,775,723.60$
1.3Polisombra verde para cerramiento. Suministro e
instalación m2 3500 2,203.52$ 7,712,320.70$
2 EXCAVACIONES 279,592,061.84$
2.1Excavación a mecanica en material común (incluye
cargue)m3 4900 4,339.41$ 21,263,111.94$
2.2 Nivelación y compactación de subrasante m2 3500 960.95$ 3,363,320.80$
2.3Estabilización de subrasante con rajon (suministro,
extendido, nivelación y compactación)m3 700 52,438.00$ 36,706,600.00$
2.4
Geotextil NT 7000 para separacion
subrasante/capas granulares (incluye suministro e
instalación)
m2 10500 20,786.57$ 218,259,029.10$
3 SUBBASE Y BASE 194,371,325.75$
3.1
Subbase granular clase c (SBG_C) (suministro,
extendido, nivelación, humedecimiento y
compactación con vibrocompactador)
m3 840 109,507.79$ 91,986,541.25$
3.2
Base granular clase c (BG_C) (suministro,
extendido, nivelación, humedecimiento y
compactación con vibrocompactador)
m3 910 112,510.75$ 102,384,784.50$
4 PAVIMENTOS ASFALTICOS 285,410,625.85$
4.1Imprimacion con emulsion asfaltica crl-0
(suministro, barrido superficie y riego)m2 3500 1,830.04$ 6,405,147.70$
4.2
Mezcla Asfaltica en caliente tipo denso MD10
asfalto convencional (suministro, extendido,
nivelación y compactación)
m3 525 531,439.01$ 279,005,478.15$
5 SEÑALIZACION Y CONTROL DE TRANSITO 1,421,166,056.10$
5.1
Demarcacion linea continua a=0.12m
(e=2.3mm,termoplástica. inc. suministro y
aplicación con equipo. incl. microesferas)
m 500 4,130.46$ 2,065,232.40$
5.2
Demarcacion linea discontinua a=0.12m
(e=2.3mm,termoplástica. inc. suministro y
aplicación con equipo. incl. microesfera
m 500 4,130.46$ 2,065,232.40$
5.3
Demarcacion paso peatonal-cebra
(e=2.3mm,termoplástica. inc. suministro y
aplicación con equipo. inc microesferas)
m2 500 34,424.58$ 17,212,288.80$
5.4
Señal doble de 75cm, reflectivo alta densidad tipo iv,
en lámina galvanizada, pedestal en ángulo sp/sr/si.
suministro e instalación.
un 3500 399,949.52$ 1,399,823,302.50$
6 ACABADOS DE URBANISMO 42,079,867.20$
6.1Bordillo prefabricado A80 (suministro e instalación.
incluye 3cm mortero de nivelación 2000 psi)m 1000 42,079.87$ 42,079,867.20$
2,240,237,916.52$
627,266,616.63$
20% 448,047,583.30$
3% 67,207,137.50$
5% 112,011,895.83$
2,867,504,533.15$
UTILIDADES
VALOR TOTAL
ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE UNA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO FLEXIBLE EN UNA VÍA DE
TRAFICO PESADO, CASO PARTICULAR VÍA URBANA EN LA CIUDAD DE BOGOTÁ BARRIO SANTA CATALINA
Diseño método Shell Alternativa 2
COSTOS DIRECTOS
COSTOS INDIRECTOS
ADMINISTRACIÓN
IMPREVISTOS
117
ÍTEMDESCRIPCIÓN UNIDAD CANTIDAD
VALOR
UNITARIO VALOR TOTAL
1 CAPITULO I. PRELIMINARES 17,617,979.78$
1.1 Campamento 18 m2 un 1 1,129,935.48$ 1,129,935.48$
1.2 Localización y replanteo m2 3500 2,507.35$ 8,775,723.60$
1.3Polisombra verde para cerramiento. Suministro e
instalación m2 3500 2,203.52$ 7,712,320.70$
2 EXCAVACIONES 279,592,061.84$
2.1Excavación a mecanica en material común (incluye
cargue)m3 4900 4,339.41$ 21,263,111.94$
2.2 Nivelación y compactación de subrasante m2 3500 960.95$ 3,363,320.80$
2.3Estabilización de subrasante con rajon (suministro,
extendido, nivelación y compactación)m3 700 52,438.00$ 36,706,600.00$
2.4Geotextil NT 7000 para separacion subrasante/capas
granulares (incluye suministro e instalación)m2 10500 20,786.57$ 218,259,029.10$
3 SUBBASE Y BASE 300,405,136.68$
3.1
Subbase granular clase c (SBG_C) (suministro,
extendido, nivelación, humedecimiento y
compactación con vibrocompactador)
m3 700 109,507.79$ 76,655,451.04$
3.2
Base granular clase c (BG_C) (suministro, extendido,
nivelación, humedecimiento y compactación con
vibrocompactador)
m3 1225 112,510.75$ 137,825,671.45$
3.3
Base granular clase a (BG_A) estabilizada al 4% con
emulsión asfáltica crl-1 (incluye suministro transporte,
colocacion y compactacion).
m3 350 245,497.18$ 85,924,014.19$
4 PAVIMENTOS ASFALTICOS 192,408,799.80$
4.1Imprimacion con emulsion asfaltica crl-0 (suministro,
barrido superficie y riego)m2 3500 1,830.04$ 6,405,147.70$
4.2
Mezcla Asfaltica en caliente tipo denso MD10 asfalto
convencional (suministro, extendido, nivelación y
compactación)
m3 350 531,439.01$ 186,003,652.10$
5 SEÑALIZACION Y CONTROL DE TRANSITO 1,421,166,056.10$
5.1
Demarcacion linea continua a=0.12m
(e=2.3mm,termoplástica. inc. suministro y aplicación
con equipo. incl. microesferas)
m 500 4,130.46$ 2,065,232.40$
5.2
Demarcacion linea discontinua a=0.12m
(e=2.3mm,termoplástica. inc. suministro y aplicación
con equipo. incl. microesfera
m 500 4,130.46$ 2,065,232.40$
5.3
Demarcacion paso peatonal-cebra
(e=2.3mm,termoplástica. inc. suministro y aplicación
con equipo. inc microesferas)
m2 500 34,424.58$ 17,212,288.80$
5.4
Señal doble de 75cm, reflectivo alta densidad tipo iv,
en lámina galvanizada, pedestal en ángulo sp/sr/si.
suministro e instalación.
un 3500 399,949.52$ 1,399,823,302.50$
6 ACABADOS DE URBANISMO 42,079,867.20$
6.1Bordillo prefabricado A80 (suministro e instalación.
incluye 3cm mortero de nivelación 2000 psi)m 1000 42,079.87$ 42,079,867.20$
2,253,269,901.40$
630,915,572.39$
20% 450,653,980.28$
3% 67,598,097.04$
5% 112,663,495.07$
2,884,185,473.79$
UTILIDADES
VALOR TOTAL
ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE UNA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO FLEXIBLE EN UNA VÍA DE
TRAFICO PESADO, CASO PARTICULAR VÍA URBANA EN LA CIUDAD DE BOGOTÁ BARRIO SANTA CATALINA
Diseño método AASHTO Alternativa 1
COSTOS DIRECTOS
COSTOS INDIRECTOS
ADMINISTRACIÓN
IMPREVISTOS
118
Dentro de los ítems seleccionados y como alternativas presupuestales, se muestra
en la Tabla 42 el costo por alternativa evidenciando que la alternativa 1 del método
SHELL es la presenta una menor inversión
Tabla 42 Comparación de valores de presupuestos
Diseño Alternativa valor
SHELL 1 $ 2,777,609,468.70
2 $ 2,867,504,533.15
AASHTO 1 $ 2,884,185,473.79
Fuente: Elaboración Propia
Gráfica 7 Comparación de alternativas según el valor del presupuesto
Fuente: Elaboración Propia.
Según los valores de presupuesto realizado es importante destacar que la
alternativa 1 de Shell es la más baja a nivel presupuestal debido a que los
materiales utilizados cumplen de manera óptima con la Serviciabilidad y dichos
materiales son de bajo costo.
$2,720,000,000
$2,740,000,000
$2,760,000,000
$2,780,000,000
$2,800,000,000
$2,820,000,000
$2,840,000,000
$2,860,000,000
$2,880,000,000
$2,900,000,000
1 Shell 2 Shell 3 Aashto
$2,777,609,468
$2,867,504,533
$2,884,185,473
Presupuesto
Presupuesto
119
8 CONCLUSIONES
La caracterización de la subrasante de acuerdo con los ensayos de
laboratorio de CBR, en el análisis de la subrasante nos indican que estos
son inferiores al 2% por lo anterior se debe realizar un mejoramiento de 20
cm sobre la capa de subrasante, para garantizar que se cumpla con los
parámetros de la estructura.
Se determinó que la vía presenta una alta densidad de transito de carga
pesada con un tránsito atraído del 12.4 para los 10 años que se está
realizando el estudio, adicional a esto se realiza el cálculo del número de
ejes que pasarán por esta vía el cual arroja un resultado de 3.58x106
número de ejes de 8.2 Ton, y según la clasificación del IDU este es un
tránsito tipo T3.
Se evidencia que el método de SHELL y AASHTO utilizado para este
proyecto de grado, muestra diferencias en cuanto a sus parámetros de
diseño, toda vez que el método AASHTO considera parámetros más
rigurosos y el método de SHELL combina conceptos básicos como la
resistencia a la fatiga y la rigidez de las mezclas asfálticas, acompañadas
del análisis de las capas granulares y de la fundación de la estructura de
pavimento.
Para el diseño de métodos de Ingeniería de Pavimentos, como son los
métodos de Shell y AASTHO en donde se realizaron chequeos de las
deflexiones, mediante el programa Depav y parámetros de control de fatiga.
Lo que permitió cumplir con las deformaciones admisibles vs las
deformaciones de servicio calculadas, los valores admisibles deben ser
mayores tanto en su capa asfáltica como en su estructura, cumpliendo así
con el criterio de control de fatiga y ahuellamiento, es decir los valores
calculados de servicio son menores a los valores de fatiga (admisibles).
De acuerdo al análisis comparativo de los esfuerzos actuantes y admisibles,
se determina que la alternativa dos tiene un porcentaje de fatiga es de 34%
y sus deflexión de la estructura es de 0.543 mm, lo anterior nos indica que
cumple con los valores admisibles y será la más opcional para
construcción.
Obtenida las cartas de diseño se procedió a evaluar los costos en cada una
de las alternativas, los cuales indicaron para la alternativa 2 y 3 $
120
2,867,504,533.15 $ 2,884,185,473.79 respectivamente, lo anterior permite
sugerir la alternativa 1 del método Shell la cual tiene un costo a precios de
2016 por $ 2,777,609,468.70 es viable económicamente pero no es óptima
en diseño por lo cual se recomienda tener en cuenta la alternativa 2.
Se logra realizar una chequeo entre los esfuerzos y deformaciones, las
deflexiones de servicio con respecto a las admisibles y porcentaje de
solicitación definido como la relación porcentual entre los valores calculados
y chequeados bajo el programa De Pav. Determinando que la estructura
cumple con los criterios de fatiga y ahuellamiento es decir los valores
calculados de servicio, por lo tanto la estructura de pavimento es adecuada
para los rangos de resistencia de la subrasante y transito considerados.
121
9 RECOMENDACIONES
Si se desea tomar este proyecto de grado como guía del diseño de
pavimentos para la vía de estudio, es necesario generar un análisis de
mayor detalle en referencia a los parámetros de suelo encontrado,
características en cuanto a consideración de temas Hidráulicos y
Estructurales para así determinar de manera óptima el diseño.
Se debe tener en cuenta que las características de los agregados a usar en
caso de que se construya, deben garantizar las exigencias mínimas de
norma IDU - 2005, y además los requisitos de deformación y resistencia
estipulados en este informe.
Si se desea tomar este trabajo de grado como continuación de
investigación se debe realizar estudios adicionales de especialidades como
hidráulica y topografía, debido a que esto generara que el diseño de la
estructura se complemente con las demás especialidades y su durabilidad
sea mayor.
122
BIBLIOGRAFÍA
ALCALDÍA LOCAL DE KENNEDY .Economía Regional y Social. Actualización del
diagnóstico social de la localidad de Kennedy. Bogotá. 2001.
CORDOBA MAQUILON, Jorge Eliecer. Metodología métodos de tránsito, Volúmenes de tránsito.[ citado 06 Mar., 2016] Disponible en: http://es.slideshare.net/marco11390/volumen-de-tránsito
CORREDOR, Gustavo. Obtención y manejo de la información de tránsito. [Separata]. Managua, Agosto 2010. Pág. 2-29.
Dirección de Evaluación - Secretaría de Educación del Distrito - SED -. (s.f.).
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Distrito: http://www.sedbogota.edu.co/evaluacion.
Facultad de Ingeniería Universidad Antioquia. Evaluación de factores camión de
los vehículos comerciales de carga que circulan por la red vial principal
colombiana. 2013. p.p. 57 - 69.
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ANEXO 1 RESULTADOS DE ENSAYOS DE CBR
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ANEXO 2 AFOROS, FACTOR CAMIÓN Y TPD
126
ANEXO 3 NUMERO DE EJES EQUIVALENTES
127
ANEXO 4 FORMULA DE IVANOV
128
ANEXO 5 DISEÑO DE AASHTO